Neues von Chury - UPDATE IV

Anstelle nur über die Aufnahmen der Rosetta-Kometensonde [1] zu berichten, möchten wir Ihnen neue wissenschaftliche Erkenntnisse vorstellen, die die Mission zum Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko ("Chury") [1] während der letzten Monate ergeben hat.
        
Weshalb sind Kometen so interessant?
Kometen [1] gehören zu den einfachen Körpern unseres Sonnensystems [1], jedoch enthalten sie wichtige Hinweise auf dessen Bildung und Entwicklung. Kometen sind aktive Himmelskörper: während ihrer Reise durch das Planetensystem schleudern sie Gas und Staub [1] in den Weltraum.

Wenn wir uns mit Kometen beschäftigen, tauchen wichtige Fragen auf:
Wie funktionieren Kometen? Enthalten Kometen das ursprüngliche Material, aus dem sich das Sonnensystem gebildet hat? Wie verändert sich der Komet während seiner Umläufe um die Sonne? und Wie verändert die Aktivität des Kometen dessen Oberfläche?

I   Die Aktivität von Kometen [2]

Abb. 1 Aufnahme des Kometen Chury vom 21. September.
Links: Die Aufnahme entstand aus einer Entfernung von 330 Kilometer vom Kometen und zeigt die zunehmende Aktivität auf der sonnenbeschienenen Seite. Die Kometen-aktivität besteht aus sog. Jets [1], in denen das sublimierte Material pfeilartig nach aussen strömt. Rechts: Detailbild, auch als Negativaufnahme. © ESA/Rosetta/NavCam

                                 
Das Modell des sog. Schmutzigen Schneeballs [1] entstand in den 60er-Jahren und wurde entscheidend von Astronomen wie Fred Whipple [1] geprägt. In diesem Modell bilden unterschiedliche Eissorten wie Wassereis (H2O) [1], Kohlendioxid- (CO2) [1] und Kohlenmonoxideis (CO) [1] zusammen mit Staub einen festen Kometenkern [1]. Der Staub wird durch die Sublimation [1] flüchtiger Stoffe dieser Eissorten freigesetzt.

Die erste Kometenmission zum Kometen 1P/Halley [1] entdeckte neben einem sehr dunklen Komentenkern mit geringer Dichte, dass nur einige wenige Oberflächenbereiche des Kometen aktiv sind, während er die Koma und den Schweif ausbildet. Der Hauptteil der Oberfläche eines Kometen scheint von einer festen Kruste bedeckt zu sein. Das waren wichtige Erkenntnisse, die sich bei der Beobachtung anderer Kometen bestätigt hat.

Allerdings blieb die Frage nach dem Funktionieren der Kometenaktivität während eines bzw. mehrerer Umläufe um die Sonne unbeantwortet.

Entscheidend bei der Frage nach der Kometenaktivität sind neben dem Wärmetransport von außen in den porösen Kometenkern dessen Materialstruktur (Porosität [1] und Dichte [1]) sowie physikalische Eigenschaften (wie z.B. die Wärmeleitung [1]); beide beeinflussen die Erzeugung von Gas während des Kometenumlaufs.

In bisherigen Kometenmodellen wird der Staub durch das sublimierende Gas des Kometen "irgendwie" befreit, verläßt die Kometenoberfläche und in der inneren Koma beschleunigt. Allerdings wurde schnell klar, dass der Sublimationsdruck [1] zu schwach ist, um die van-der-Waals-Kräfte [1] zu überwinden, die zwischen den kleinen Staubkörnchen wirken. Die Kohäsion [1] zwischen den mikroskopischen mineralischen Staubkörnern wurde in älteren Modellen ignoriert.

Sobald sich die Staubkruste des Kometen gebildet hat, wird die Aktivität des Schweifsternes durch das Gleichgewicht zwischen dem Wärmefluß in das Innere des Kometen und dem Gasausfluss aus den Regionen unterhalb der Kometenoberfläche gesteuert.

Bildung von Kometen
Staub- und Eisteilchen bestanden in der Frühphase des Planetensystems zunächst getrennt. Darauf weisen Messungen von Staubteilchen im Verbund mit Wassereis in der inneren Koma mehrerer Kometen hin.

Neue Untersuchungen zeigen, dass sich Kometen durch den gravitativen Kollaps [1] von etwa Zentimeter großen Staubagglomeraten während des frühen Sonnensystems bildeten. Es existieren Hinweise, dass die Staub- und Wassereis-Agglomerate vermischt wurden, bevor sich die Kometesimale [1] - die Vorläufer der Kometen - im äußeren Bereich des Sonnensystems bildeten.

Danach erfolgte der gravitative Kollaps des Materials, aus dem sich Kometesimale bildeten, die aus porösem Staub und Eisaggregaten bestanden. Die kleinen eisigen Teilchen des frühen Kometenstadiums besaßen die Größe von etwa einem Mikrometer [1]. So entstand schließlich nach und nach ein neuer Komet.

Die Bildung einer Staubkruste
Wenn sich ein Komet (nach seiner Entstehung) erstmals in Richtung Sonne bewegt, sublimiert das Eis auf der Kometenoberfläche; der verbleibende Staub bildet eine dünne, nicht-flüchtige Staubschicht auf der Oberfläche. Das eisfreie Oberflächenmaterial besitzt nur geringe kohäsive Kräfte [1]. Der Staub kann von der Kometenoberfläche weggeschleudert werden, sobald der Gasdruck unterhalb der Oberfläche stärker ist als die Kohäsion.

Die Staubaktivität eines neuen Kometen beginnt bei 2-4 Astronomischen Einheiten (AE) [1] Abstand von der Sonne.
Ab einer Entfernung von 5 AE bis zum Perihel (sowie danach) folgt die Sublimation von Eis folgt mehrheitlich der Intensität der Sonnenbestrahlung. Je intensiver die Sonnenstrahlung, desto mehr Eis sublimiert.

Gasaktivität steuert Staubaktivität
Die beobachtete hohen Rate der Emission von Kohlenmonoxideis läßt vermuten, dass sich diese Eisart relativ dicht unter der Kometenoberfläche befindet, selbst in Sonnennähe.

Das Wegschleudern von Eis aus dem Kometen begünstigt dessen Staubaktivität. Insbesondere große Staubteilchen werden während der Emission von CO2- und CO-Eis abgeschleudert.

Die Aktivität von Chury - Staubteilchen
Die frühen Beobachtungen der inneren Koma des Kometen Chury bestätigen das Vorhandensein beträchtlicher Mengen großer Staubpartikel auf dem Kometen. Die OSIRIS-Kamera [1] der Kometensonde Rosetta konnte selbst in Entfernungen bis 6 AE Staubteilchen mit Durchmessern von bis zu 2 cm beobachten. Größere Staubteilchen (Durchmesser 2-4 cm) wurden nahe der Kometenbahn (bis 7 AE) von Chury gemessen. Diese großen Teilchen wurden wahrscheinlich während oder nach dem letzten Perihel [1] emittiert.

In größerer Sonnennähe können durch den höheren Strahlungsdruck der Sonne auch kleinere Staubteilchen aus der Kometenoberfläche herausgeschleudert werden. Dabei können die Staubteilchen dem Kometen entkommen und in den Weltraum geschleudert werden.

II   Die Veränderung der Kometenoberfläche [3]
Die Aufnahmen des Kometen Chury zeigen eine komplexe Kometenoberfläche mit zahlreichen Strukturen, die ganz oder teilweise von Staub bedeckt sind, sowie Klippen, Frakturen und Berge im 100m- bis zum Dezimeter-Bereich.

Der Ursprung dieser Oberflächenstrukturen ist bisher größtenteils unverstanden, jedoch von großer Bedeutung für unser Verständnis der Bildung und Entwicklung des Kometen Chury.

Interessante Bereiche der Kometenoberfläche [1]
(a) Imhotep-Region

Abb. 2 Aufnahme des Kometen Chury mit den Regionen Ash, Hathor und Seth. © ESA/Rosetta/NavCam

(b) Ash-Region (Abb. 2)
Die Region ist größtenteils von Staub bedeckt, dessen typischer Durchmesser im Dezimeter-Bereich liegt.

(c) Seth-Region (Abb. 2)
Die Region besitzt zahlreiche runde Strukturen, darunter Bassins. An den flachen Wänden der Bassins sind Überreste angehäuft.

(d) Hathor-Region (Abb. 2)
Die Region wird von Klippen bis 900 Metern Höhe dominiert und zeigt zahlreiche Anisotropien.

(d) Agilkia-Region
Diese Region ist eine "Superregion" und beinhaltet die Bereiche Hatmehit, Ma'at, Nut und Maftet [1]. Sie wird von einer großen Depression von 800 Metern Breite dom

Die folgende Abbildung zeigt die unterschiedlichen Bereiche der Kometenoberfläche in Bezug auf deren Steigung und Bedeckung durch Eisbrocken.

Abb. 3 Schematische Darstellung der Oberflächenstrukturen von Chury in Bezug auf die Morphologie und die Steigung. [3] Flache Gebiete (weißes Gebiet, rechts) sind mit feinem Material bedeckt und enthalten lediglich einige große (einzelne) Brocken von bis zum 10 Metern Durchmesser. Gebiete mittlerer Steigung (Mitte) zeigen zahlreiche Reste und Brocken mit Durchmessern von 1-10 Metern. Gebiete mit großen Steigungen besitzen keine Brocken oder feines Material.

Abb. 4 Darstellung der Höhenlagen auf der größeren Hantel des Kometen Chury. [3] Die Abbildung verdeutlicht die Asymmetrie der Höhenlagen im Bereich Ash und Seth. Rot eingefärbte Bereiche entsprechen größeren Höhen bis 1.000 Meter (weiß).Bläuliche Bereiche entsprechen tiefer gelegenen Strukturen bis -1.000 Metern.

Während des Umlaufs des Kometen Chury um die Sonne ist die Erosion seiner Oberfläche ein uneinheitlicher Prozess. Ddie Erosion scheint hauptsächlich auf der südlichen Hemisphäre des Kometen stattzufinden, da sie während des Perihels stärker von der Sonne beleuchtet wird.

Bis Ende Mai hatte Chury bei jeder Perihelpassage bereits etwa 20 Prozent seiner Gesamtmasse verloren.

Insbesondere die Imhotep-Region [1] der Kometenoberfläche wurde innerhalb der letzten Monate besonders intensiv auf Veränderungen untersucht. In dieser Region befinden sich zahlreiche unterschiedliche Oberflächenformationen, insbesondere flache Ebenen, die bis zu 0,8 Quadratkilometer umspannen.

Anhand zahlreicher Aufnahmen in den Monaten Juni und Juli konnten die Forscher feststellen, dass durch die Annäherung von Chury an die Sonne dramatische morphologische Veränderungen der Kometenoberfläche stattgefunden haben [3a]. Mehr als 40 Prozent der Oberfläche der größten Ebene von Imhotep zeigten diese Änderungen.

Aufnahmen dieser Region zeigen den Austritt von Eis aus der Kometenoberfläche; das frische Material befand sich wahrscheinlich unterhalb einer Staubschicht, die durch die Erosion zerstört wurde.
Wahrscheinlich entspricht die Änderung der Oberflächenstrukturen einem Einbruch der oberen Kometenoberfläche um rund 5 Meter (Abb. 4).

Abb. 4 Bruchstrukturen am nördlichen Rand des Imhotep-Gebietes. [3]
Die Bruchstrukturen ziehen sich über Bereiche bis zu 100 Metern.
Die Höhenunterschiede betragen nach dem Bruch der Oberfläche etwa 30 Meter.

Die Wissenschaftler erklären sich diese Veränderungen dadurch, dass von Mai bis Juli die betreffenden Oberflächenbereiche bereits ab dem Morgen von der Sonne beschienen wurden und damit wärmer waren als ihre Umgebung.

Während dieser Veränderungen der Kometenoberfläche wurde die Staubproduktion vorwiegend durch millimetergroße Staubteilchen dominiert. In den flachen Ebenen von Imhotep konnten Staubkörner mit einer Größe im Dezimeterbereich beobachtet werden.

Die morphologischen Veränderungen der Imhotep-Region könnten der Vorbote eines gewaltigen Jets [1] gewesen sein, der während der letzten Perihelpassage beobachtet wurde.

Die Beobachtung dieser sich schnell verändernden Strukturen der südlichen Hemisphäre ist nicht verwunderlich: die nördliche Hemisphäre des Kometen Chury erhält etwa zehn Mal weniger Sonnenenergie als die Imhotep-Region und ist im Mittel gesehen kühler. Daher ist die südliche Hemisphäre von Chury wahrscheinlich um einige Meter stärker erodiert.

III   Die ungewöhnliche Struktur von Chury [4]
Die Prozesse und Faktoren, die das Aussehen von Kometenkernen prägen sind größtenteils unbekannt. Wahrscheinlich tragen evolutionäre sowie primordiale Prozesse zum heutigen Aussehen von Kometenkernen bei.

Die ungewöhnliche Form des Kometen Chury besteht aus zwei unterschiedlichen hantelförmigen Teilen. Der größere Teil des Kometen ist von einer nahezu kontinuierlichen Kruste bis 650 Metern Dicke umgeben.

Wahrscheinlich existierten die beiden Hälften des Kometen zu früheren Zeiten getrennt und wurden erst durch eine Kollision zusammengebacken. Das alles soll laut einer Veröffentlichung [4] erst geschehen sein, nachdem sich das Sonnensystem bereits gebildet hatte.

Die Aussage beruht auf Aufnahmen von Rosetta, die so scharf sind, dass man Details bis zu einer Größe von 10 Zentimetern betrachten kann. Die Aufnahmen stammen aus dem Monat Juli als die Kometensonde Rosetta sich nur etwa 160 Kilometer von Chury entfernt befand.

Bestimmte scharfkantige Strukturen der jeweiligen Oberfläche jeder der beiden Hanteln lassen darauf schließen, dass die beiden Teile des Kometen eine äußere Hülle aus zwiebelartigen Schichten besitzen und mindestens einige Hundert Meter in die Tiefe reichen. Diese Ähnlichkeit sei ein Anzeichen dafür, dass beide Kometenhälften in der Frühphase ihrer Bildung eine ähnliche Akkretion von Material durchlebten, obgleich sie sich unabhängig voneinander gebildet haben.

Das schmale Halsgebiet, das die beiden hantelartigen Gebilde verbindet, jedoch besitzt keine derartigen Strukturen; ein Zeichen dafür, dass Chury nicht als einzelnes rundes, geschichtetes Objekt in das Sonnensystem gestartet ist.

Stattdessen folgern die Wissenschaftler, dass jeder Hantelteil separat entstand und erst durch eine sachte Kollision mit dem jeweils anderen Teil verbunden wurde; dabei blieb die Schichtung des jeweiligen Eisklumpens erhalten. Diese Kollision erfolgte möglicherweise erst vor weniger als 100 Millionen Jahren, nachdem sich das Sonnensystem bereits gebildet hatte.

Seitdem fliegt Churys Hantelstruktur durch das Sonnensystem; dabei verdampft Material primär von den Oberflächenbereichen, die von der Sonne beschienen werden; das Material könnte in den schattigen Regionen kondensiert sein; dort liegen die Temperaturen etwa 50 Grad niedriger als in den sonnenbeschienenen Bereichen.

IV   Chury besitzt Argon [5]
Das Massenspektrometer ROSINA [1] an Bord der Kometensonde Rosetta hat erstmals das Edelgas Argon [1] in der Koma des Kometen entdeckt. Das ist das erste Mal, dass das Edelgas in einer Kometenkoma nachgewiesen werden konnte.

Bereits im Oktober 2014 konnte ROSINA zwei Argon-Isotope [1] entdecken als Rosetta in einer Entfernung von lediglich 10 Kilometern über der Oberfläche von Chury vorbeiflog.

Das Vorkommen von Edelgasen [1] in Kometen kann dabei helfen, die Temperatur zu bestimmen, bei der das primäre Material des Kometen entstanden ist. Die Eiskörner, aus denen sich die Planetesimale [1] vor rund 4,5 Milliarden Jahren gebildet haben, entstanden ist sehr kalten Regionen des Sonnensystems, weit außerhalb der Neptunbahn [1].

Bereits vor einigen Monaten war der Nachweis von molekularem Stickstoff (N2) [1] in der Kometenkoma von Chury gelungen [6]. Molekularer Stickstoff war bereits im protosolaren Nebel [1] vorhanden, aus dem sich beispielsweise Pluto und Triton [1] bildeten sowie die großen Gasplaneten [1]. Die Häufigkeitsbestimmung des Moleküls deutet darauf hin, dass sich die Bestandteile des Kometen bei niedrigen Temperaturen unterhalb von etwa 30 Kelvin (K) [1] (rund -243 Grad Celsius) gebildet haben.

VI   Der Wasserzyklus von Chury [7]

Abb. 5 Wasserzyklus des Kometen Chury. [7]
LOCAL DAY: Die Oberfläche des Kometen wird durch die Sonneneinstrahlung aufgeheizt: Dabei sublimiert Wassereis auf der Kometenoberfläche sowie in Tiefen bis einigen Zentimetern darunter; das Wassereis verwandelt sich in Gas und verläßt den Kometenkern. - LOCAL NIGHT: Während der Nacht kühlt die Oberfläche des Kometen rasch aus, während die darunter befindlichen Schichten relativ dazu gesehen wärmer sind. Daher sublimiert Wassereis unterhalb der Oberfläche weiter, gelangt an die Oberfläche und gefriert dort (aufgrund der niedrigeren Temperaturen). - LOCAL DAWN: Am nächsten Kometentag beginnt die Sublimation von neuem; sie beginnt mit dem Wassereis in der während der Nacht neu gebildeten Schicht. © ESA

Inzwischen besitzt Chury eine Helligkeit von etwa 11,5 mag
und ist am Morgenhimmel beobachtbar.

Falls Sie Fragen und/oder Anregungen zu diesem Thema haben, schreiben Sie uns unter kontakt@ig-hutzi-spechtler.eu

Ihre
IG Hutzi Spechtler – Yasmin A. Walter

Quellenangaben:

[1] Information über astronomische und physikalische Begriffe
www.wikipedia.de

[1a] Artikelserie zum Kometen Chury
http://ig-hutzi-spechtler.eu/aktuelles__rosetta__hauptseite.html

[2] Gundlach, B., et al., A&A (30 June 2015)

[3] Groussin, O., et al., A&A (10 September 2015)

[3a] http://cobs.si/images/news/Comet_surface_changes_annotated.jpg

[4] Massironi, M., et al., Nature (eingegangen 2. März, akzeptiert 10. Juli, veröffentlicht 28. September 2015) // www.esa.int

[5] Balsinger, H., et al., Science Advances (25 September 2015)

[6] Rubin, M., et al., Science (10 April 2015)

[7] De Sanctis, M. C., et al., Nature (24 September 2015)

zurück