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Die Atmosphäre von Kometen als interplanetarer Lieferant

Die Atmosphäre (Koma) von Kometen könnte sich als interplanetarer Lieferant von Molekülen und organischem Staub, wichtigen Voraussetzungen für die Entstehung von Leben auf der Erde, erweisen.

Kometen gehören zu den ältesten bekannten Objekten unseres Sonnensystems. Sie stammen wahrscheinlich aus der Oortschen Kometenwolke. Das Verständnis ihrer Zusammensetzung ist für die Erklärung der Entstehung der Erde und dem Ursprung von organischen Komponenten als grundlegende Bausteine des Lebens von zentraler Bedeutung.

Mithilfe der ALMA-Teleskope (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) der Europäischen Südsternwarte ESO [1] in Chile gelangen einem internationalen Wissenschaftsteam Beobachtungen der Koma der Kometen C/2012 F6 (Lemmon) und C/2012 S1 (ISON). Die Messungen zeigen eine interessante Verteilung der Moleküle Blausäure (Cyanwasserstoff, HCN)*, Isoblausäure (HNC)** und Formaldehyd (Methanal, H2CO)*** [2] sowie Staub. Beide Kometen weisen eine eher geringe Konzentration dieser Moleküle auf, was bisherige erdgebundene Messungen erschwerte.

Dabei scheint die Blausäure, die man in den beiden Kometen beobachtet, symmetrisch verteilt und direkt aus dem Kometenkern bzw. dessen unmittelbarer Umgebung zu stammen. Die Verteilung der Isoblausäure dagegen ist klumpig und asymmetrisch, sie scheint durch jetartige Ausflüsse aus dem Kernbereich zu stammen.

Die Verteilung von Formaldehyd ist in beiden Kometen unterschiedlich: während  Formaldehyd im Kometen Lemmon großräumig über Tausende Kilometer verteilt ist, konzentriert sich das Molekül im Kometen ISON auf ein Gebiet von wenigen Hundert Kilometern Durchmesser.

Die Messungen weisen darauf hin, dass Isoblausäure und Formaldehyd in beiden Kometen innerhalb der Koma freigesetzt werden und dort chemisches Vorgängermaterial existiert, das durch Sublimation (4*), Fotolyse (5*) oder Überhitzungseffekte (photochemical/thermal degradation) entsteht. Die wahrscheinlichsten Prozesse zur Erzeugung von Isoblausäure und Formaldehyd sind Aufheizung oder die Fotolyse von Material wie Staubkörnern, Polymeren oder Makromolekülen. Letztere sollen mithilfe der Kometensonde Rosetta während der Begegnung mit dem Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko nachgewiesen werden (siehe auch LINK: www.ig-hutzi-spechtler.eu/rosetta).

Eine Darstellung der 3-dimensionalen Verteilung dieser Moleküle innerhalb der Koma der Kometen Lemmon und ISON entstand durch die Messung der Verteilung sowie der Geschwindigkeit der drei beschriebenen Moleküle; eine animierte Darstellung finden sie unter [1, 3].

Die unterschiedliche Verteilung der Moleküle deutet darauf hin, dass sich Blausäure und Formaldehyd innerhalb der Kometenkoma bilden und Isoblausäure dagegen durch die Spaltung großer Moleküle oder organischem Staub entsteht. Organischer Staub könnte eine wichtige Rolle beim Eintritt in eine Planetenatmosphäre spielen: im Vergleich zu Molekülen ist organischer Staub wesentlich resistenter gegenüber der Zerstörung beim Eintritt in die Atmosphäre; daher könnte er einfacher auf eine Planetenoberfläche gelangen und dort wesentlich zur Entstehung organischen Lebens beitragen.

Mithilfe des 30m-IRAM-Teleskops [4] fand eine andere Forschergruppe in den Kometen C/2012 S1 (ISON) und C/2013 R1 (Lovejoy) neben den Molekülen Blausäure und Isoblausäure auch Methanol (CH3OH) [5]. Komet ISON zeigte während eines Aktivitätsausbruchs im Jahr 2013 einen Anstieg der Blausäure-Häufigkeit um einen Faktor Zehn, der möglicherweise auf das Aufbrechen seines Kerns zurückzuführen ist. Mithilfe des Methanols konnte die Temperatur der Koma beider Kometen bestimmt werden: sie beträgt für ISON rund 90 Kelvin (-183° Celsius) und für Lovejoy rund 60 Kelvin (-213° Celsius).

Mit dem gleichen Teleskop der IRAM konnte bei den Kometen C/2012 F6 (Lemmon) und C/2013 R1 (Lovejoy) die Moleküle Ethylenglukol (Glukol) (CH2OH)2 und Formamid (NH2CHO) entdeckt werden [6].

Zusammenfassend kann man sagen, dass die aus der Oortschen Kometenwolke stammenden Kometen eine große chemische Vielfalt im Hinblick auf die in ihnen enthaltenen Moleküle zeigen, wenngleich die Mengen einzelner Moleküle wie Kohlenmonoxid (CO), Methanol (CH3OH), Schwefelwasserstoff (H2S), Kohlenstoffsulfid (CS) und verschiedener Kohlenwasserstoffe um einen Faktor Zehn schwanken. Die Ursache dieser Unterschiede ist unklar; sie könnte durch die Entstehung der Kometen (zu verschiedenen Zeitpunkten) in unterschiedlichen Bereichen des frühen Sonnensystems erklärt werden.

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Abbildung 1   Schematische Darstellung des Zusammenhanges Komet-Moleküle-Erde
© ESA

 

Diese neuen Beobachtungen eröffnen wichtige Erkenntnisse über die Zusammensetzung von Kometen bzw. deren Atmosphären, insbesondere im Hinblick auf die Existenz und Verbreitung organischer Komponenten innerhalb des Sonnensystems (Abb. 1). Die Wissenschaftler hoffen, dass diese hochaufgelösten Messungen auch zur Entdeckung komplexerer Moleküle in Kometen führen.

Ihre
IG Hutzi Spechtler – Yasmin A. Walter

 

Quellenangaben:

[1] Europäische Südsternwarte ESO und ALMA
www.eso.org und www.almaobservatory.org

[2] Allgemeine Information über verschiedene Moleküle
www.wikipedia.org

[3] Cordiner, M. A., et al., ApJ 792, L2 (2014)

[4] IRAM (Institut de RadioAstronomie Millimétrique, Frankreich)
www.iram-institute.org
 
[5] Agúndez, M., et al., A&A, 564, L2 (2014)

[6] Biver, N., et al., A&A, 566, L5 (2014)

 

Weitere Erklärungen:

* Blausäure (HCN) - das Wasserstoffatom ist an das Kohlenstoffatom gebunden

** Isoblausäure (HNC) – Isomer der Blausäure, das Wasserstoffatom ist an das Stickstoffatom gebunden

*** Formaldehyd kann durch Oxidation in Ameisensäure überführt werden

(4*) Sublimation: direkter Phasenübergang eines Stoffes vom festen in den gasförmigen Zustand

(5*) Fotolyse: Spaltung des Moleküls durch die Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung

 

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