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Autor: Ralph-Mirko Richter / 09. November 2014, 12:29 Uhr

Komet 67P/Tschurjumow-Gerasimenko - Die dunkle Seite

Die Raumsonde Rosetta hat einen ersten Blick auf die Südseite des Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko geworfen. Diese Region ist bereits seit Monaten durchgängig von der Sonne abgewandt, so dass es nach wie vor unmöglich ist, dort Details zu erkennen. Lediglich das Streulicht von Staubpartikeln in der Umgebung des Kometen lässt mittlerweile einige Oberflächenstrukturen erahnen.

Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, ESA
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ESA, Rosetta, NavCam - CC BY-SA IGO 3.0

Bild vergrößernDiese Mosaikaufnahme setzt sich aus vier Einzelaufnahmen zusammen, welche die Navigationskamera der Raumsonde Rosetta am 4. November 2014 aus einer Entfernung von etwa 30 Kilometern zur Oberfläche des Kometen 67P in einem Zeitraum von 20 Minuten angefertigt hat. Die Auflösung liegt bei 2,7 Metern pro Pixel. Im Vordergrund ist der im Schatten liegende 'Kopf' des Kometen erkennbar. Auch der Hauptkörper liegt im Schatten, wird aber teilweise durch Streulicht erhellt, welches durch Staubpartikeln in der Umgebung des Kometen reflektiert wird.
(Bild: ESA, Rosetta, NavCam - CC BY-SA IGO 3.0)
Nach einem mehr als zehn Jahre andauernden Flug durch unser Sonnensystem erreichte die von der europäischen Weltraumagentur ESA betriebene Raumsonde Rosetta am 6. August 2014 das Ziel ihrer Reise - den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko (der Einfachheit halber ab hier als "67P" abgekürzt). Seitdem 'begleitet' Rosetta diesen Kometen auf seinem Weg in das innere Sonnensystem und untersucht dieses Relikt aus der Entstehungsphase unseres Sonnensystems intensiv mit elf wissenschaftlichen Instrumenten.

Bei einem dieser Instrumente handelt es sich um die unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen entwickelte und betriebene OSIRIS-Kamera. Das OSIRIS-Kameraexperiment - "OSIRIS" steht als Abkürzung für "Optical, Spectroscopic and InfraRed Remote Imaging System" - besteht aus einer Tele- und einer Weitwinkelkamera, welche mit mehreren Filtern in verschiedenen Spektralkanälen hochaufgelöste Bilder von der Oberfläche des Kometen 67P anfertigen.

Mittlerweile konnten die an dem Kameraexperiment beteiligten Wissenschaftler einen Großteil der Kometenoberfläche kartieren und dabei beeindruckende Strukturen mit einer Größe von teilweise nur wenigen Metern abbilden. Dabei zeigte sich in den vergangenen Monaten, dass der Komet 67P über eine unerwartet stark variierende Oberfläche verfügt, welche größtenteils von einem rauen Gelände dominiert wird, auf dem sich eine Vielzahl von sehr stark geneigten Berghängen, scharfkantige Klippen, Vertiefungen, kraterähnliche Strukturen, parallel verlaufenden Rillen und Gräben sowie Gesteinsbrocken und Felsblöcke befinden (Raumfahrer.net berichtete).

Lediglich die 'Südseite' des Kometen hat sich bisher erfolgreich den Blicken der Wissenschaftler entzogen.

Der Komet 67P benötigt sechs Jahre und 203 Tage, um die Sonne auf seiner elliptischen Umlaufbahn einmal zu umrunden. Da die Rotationsachse des Kometen dabei jedoch nicht senkrecht auf der Bahnebene steht, sondern gegen diese geneigt ist, werden Teile der Oberfläche von 67P zeitweise über längere Zeiträume hinweg nicht vom Sonnenlicht erreicht. Gegenwärtig ereignet sich auf der südlichen Hemisphäre des Kometen bereits seit einigen Monaten eine solche Polarnacht, welche mit den Zeiten der völligen Dunkelheit in den Polarregionen der Erde vergleichbar ist.

ESA, Rosetta, MPS for OSIRIS-Team MPS, UPD, LAM, IAA, SSO, INTA, UPM, DASP, IDA

Bild vergrößernEin Foto des Kometen 67P, welches am 30. Oktober 2014 mit dem Kamerasystem OSIRIS aus einer Entfernung von etwa 30 Kilometern aufgenommen wurde, ist hier in zwei verschiedenen Sättigungsstufen dargestellt. In dem linken Bild liegt die rechte Hälfte im Dunkeln. Oberflächenstrukturen lassen sich dort nicht erkennen. In dem rechten Bild werden an derselben Stelle Strukturen sichtbar.
(Bild: ESA, Rosetta, MPS for OSIRIS-Team MPS, UPD, LAM, IAA, SSO, INTA, UPM, DASP, IDA)
Somit war es bisher unmöglich, die dort befindlichen Strukturen mit der OSIRIS-Kamera abzubilden oder auch nur grobe Oberflächenformationen zu erkennen. Dies stellt für die Wissenschaftler ein Problem dar, denn gerade die - möglichst frühzeitige - Untersuchung dieser 'dunklen Seite' des Kometen könnte dabei helfen, die zunehmende Aktivität des Himmelskörpers besser zu verstehen.

"Wenn 67P seinen sonnennächsten Punkt erreicht, trennen ihn nur noch etwa 186 Millionen Kilometer von unserem Zentralgestirn. In dieser Phase wird gerade diese Südseite beleuchtet und ist somit besonders hohen Temperaturen und starker Strahlung ausgesetzt", erläutert Dr. Holger Sierks, der Leiter des OSIRIS-Teams vom MPS. Die Wissenschaftler vermuten deshalb, dass dieser Oberflächenbereich am stärksten von der Aktivität des Kometen gezeichnet ist. "Wir sind schon sehr gespannt auf den Mai nächsten Jahres. Dann endet die Polarnacht und wir können die Südseite endlich genau betrachten", so Dr. Sierks weiter.

Streulicht ermöglicht Aufnahmen von im Dunkeln gelegenen Regionen

Allerdings können die Kometenforscher dank des überaus leistungsfähigen Kamerasystems und der zunehmenden Aktivität des Kometen mittlerweile auf einen Trick zurückgreifen. Kometen sind Überreste aus der Entstehungsphase unseres Sonnensystems, welche sich auf elliptischen Umlaufbahnen um die Sonne bewegen. Den Großteil ihrer Existenz fristen diese auch als 'schmutzige Schneebälle' bezeichneten Objekte fernab der Sonne als kalte, nahezu unveränderliche Brocken aus Eis, Staub und gefrorenen Gasen. Erst wenn sich ein Komet auf seiner langgezogenen Umlaufbahn der Sonne bis auf eine Entfernung von etwa fünf Astronomischen Einheiten - dies entspricht in etwa 750 Millionen Kilometern - nähert, setzt eine zunächst allerdings noch sehr langsam ablaufende Verwandlung ein.

ESA, Rosetta, MPS for OSIRIS-Team MPS, UPD, LAM, IAA, SSO, INTA, UPM, DASP, IDA

Bild vergrößernEin seltener Blick auf die 'dunkle Seite' des Kometen 67P. Durch das Licht, welches Staubteilchen aus der Koma des Kometen zurückstreuen, lassen sich einige Oberflächenstrukturen erahnen. Dieses Bild wurde von der OSIRIS-Kamera am 29. September 2014 aus einer Entfernung von etwa 19 Kilometern aufgenommen.
(Bild: ESA, Rosetta, MPS for OSIRIS-Team MPS, UPD, LAM, IAA, SSO, INTA, UPM, DASP, IDA)
Aufgrund der steigenden Temperaturen sublimieren die leichtflüchtigen Bestandteile des Kometenkerns - in erster Linie handelt es sich dabei um gefrorenes Wasser, Kohlenstoffdioxid, Methan und Ammoniak - und entweichen mit Geschwindigkeiten von bis zu einigen hundert Metern in der Sekunde in das umgebende Weltall. Dabei reißen diese freigesetzten Gase regelrechte Fontänen aus Staub mit sich. Diese Teilchen formen zunächst eine Koma, welche den Kometenkern vollständig einhüllt.

Gleichzeitig reflektieren diese in der Umgebung des Kometen befindlichen Staubpartikel das Sonnenlicht und 'beleuchten' dabei auch die nicht direkt von der Sonne beschienenen Oberflächenbereiche des Kometenkerns. Dieses Streulicht fällt mittlerweile so stark aus, dass sich auf den lang belichteten Kameraaufnahmen einige Oberflächenstrukturen zumindestens erahnen lassen.

"Einer normalen Kamera würde diese winzige Lichtmenge kaum weiterhelfen", erklärt OSIRIS-Teammitglied Maurizio Pajola vom Center of Studies and Activities for Space der Universität Padua in Italien. Während gewöhnliche Kameras Informationen in acht Bits pro Pixel speichern und somit nur 256 verschiedene Graustufen unterscheiden können, handelt es sich bei der OSIRIS um eine 16-Bit-Kamera. Dies bedeutet, dass ein einzelnes Foto dieser Kamera mehr als 65.000 Graustufen enthalten kann.

Dadurch bedingt kann die OSIRIS Oberflächenbereiche, welche dunkler als Kohle sind und schneeweiße Regionen zusammen auf ein und demselben Bild abbilden. Durch eine entsprechende Bildbearbeitung, bei der in den dunklen Regionen Kontrast und Helligkeit angehoben werden, ist es möglich, auch in diesen Gebieten Oberflächendetails zu erkennen.

Die an der Rosetta-Mission beteiligten Wissenschaftler nutzen diese hohe dynamische Bandbreite der OSIRIS-Kamera nicht nur, um in das Dunkel der Polarnacht zu blicken, sondern auch, um zusätzliche Informationen über Regionen zu erhalten, welche aufgrund der Rotation des Kometenkerns und der sich dadurch verändernden Beleuchtungsverhältnisse lediglich für kurze Zeit im Schatten liegen.

ESA, Rosetta, VIRTIS, INAF-IAPS, OBS DE PARIS-LESIA, DLR; Komet: ESA, Rosetta, NavCam - CC BY-SA IGO 3.0

Bild vergrößernAnfang Oktober 2014 konnte auch das VIRTIS-Instrument Wasser und Kohlenstoffdioxid in der Koma des Kometen nachweisen.
(Bild: ESA, Rosetta, VIRTIS, INAF-IAPS, OBS DE PARIS-LESIA, DLR; Komet: ESA, Rosetta, NavCam - CC BY-SA IGO 3.0)
Wasser und Kohlenstoffdioxid in der Koma des Kometen

Aber auch die anderen Instrumente von Rosetta sind aktiv und liefern den Wissenschaftlern weitere Erkenntnisse über den Kometen. Bereits im September wurde eine Karte vorgestellt, welche die Temperaturverteilung auf der Oberfläche von 67P zeigt (Raumfahrer.net berichtete). Das hierfür genutzte Instrument - ein im sichtbaren und im infraroten Wellenlängenbereich arbeitendes abbildendes Spektrometer namens "Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer" (kurz "VIRTIS") - soll neben den Informationen über die Temperatur des Kometenkerns auch Informationen über dessen chemische und mineralogische Zusammensetzung sowie über die Verteilung der dort befindlichen festen und gasförmigen Stoffe liefern.

Bereits Anfang Oktober gelang mit dem VIRTIS-Spektrometer der zeitgleiche Nachweis von Wasser und Kohlenstoffdioxid, welches von der 'Halsregion' des Kometen in das umgebende Weltall entweicht. Durch den direkten Nachweis dieser beiden Gase konnte auch deren Mengenverhältnis ermittelt werden. Dabei zeigte sich, dass die relative Häufigkeit des Kohlenstoffdioxids gegenüber dem freigesetzten Wasserdampf bei lediglich vier Prozent liegt. Der Komet 67P scheint somit deutlich weniger Kohlenstoffdioxid zu beherbergen als etwa der Komet 103P/Hartley, bei dem es sich ebenfalls um einen kurzperiodischen Kometen aus der Jupiter-Familie handelt. Im Rahmen ihres kurzen Vorbeifluges an dem Kometen Hartley am 4. November 2010 ermittelte die NASA-Raumsonde Deep Impact dort einen Kohlenstoffdioxidanteil von etwa 20 Prozent.

Durch die VIRTIS-Daten konnte auch ermittelt werden, dass in einer Höhe von etwa einem Kilometer über der Kometenoberfläche eine Umgebungstemperatur von etwa minus 183 Grad Celsius herrscht. Dieser 'Temperatursturz' - direkt auf der Oberfläche liegt die Temperatur bei etwa minus 70 Grad Celsius - wurde erwartet und ist auf einen Vorgang names adiabatische Expansion zurückzuführen. Die Gasmoleküle transportieren Wärme von der Oberfläche in das Weltall, geben diese aber zunächst nicht an die Umgebung ab. Vielmehr ist das Absinken der Temperatur durch die abnehmende Gasdichte zu erklären, denn je weiter sich die Gasmoleküle von der Oberfläche des Kometen entfernen, desto mehr verteilen diese sich auch.

ESA, Rosetta, NavCam - CC BY-SA IGO 3.0

Bild vergrößernDiese Mosaikaufnahme setzt sich aus vier Einzelaufnahmen zusammen, welche die Navigationskamera der Raumsonde Rosetta am 26. Oktober 2014 aus einer Entfernung von etwa 7,8 Kilometern zur Oberfläche des Kometen 67P angefertigt hat. Die Auflösung liegt bei etwa 66 Zentimetern pro Pixel.
(Bild: ESA, Rosetta, NavCam - CC BY-SA IGO 3.0)
Die Landung von Philae steht bevor

Derzeit bereiten sich die an der Rosetta-Mission beteiligten Wissenschaftler und Ingenieure auf einen weiteren Höhepunkt der Mission vor. Der von der Kometensonde mitgeführte Lander Philae soll am Vormittag des 12. November 2014 um 09:35 MEZ von Rosetta abgetrennt werden. Die Raumsonde wird sich dabei in einer Entfernung von etwa 22,5 Kilometern zum Zentrum des Kometen befinden. Nach der Separation wird sich der Kometenlander dann im Rahmen einer vorprogrammierten Kommando-Sequenz autonom zur Kometenoberfläche bewegen, welche etwa sieben Stunden später erreicht werden soll.

Der hierfür ausgewählte Landeplatz J wurde mittlerweile auf den Namen "Agilkia" 'getauft'. Dieser Name wurde im Rahmen eines Namenswettbewerbes zur Benennung des Landeplatzes ausgewählt. Der Name geht auf eine Insel im Nil zurück. Agilkia wurde im Jahr 1980 der neue Standort für den Isis-Tempel, als dessen ursprünglicher Standort - die benachbarte Insel Philae - durch den Bau des Assuan-Staudamms überflutet wurde.

Bereits während der 'Abstiegsphase' zur Kometenoberfläche werden die zehn Instrumente des Landers wissenschaftliche Daten aus der unmittelbaren Umgebung von 67P gewinnen. Neben der Anfertigung verschiedener Fotoaufnahmen der Kometenoberfläche ist dabei die Sammlung von Daten über die von dem Kometen ausgehenden Staub- und Gaspartikel sowie über das dort befindliche Plasma und über das Magnetfeld von 67P geplant.

Unmittelbar nach der Landung wird Philae mit einer ersten wissenschaftlichen Kampagne beginnen, in deren Rahmen unter anderem ein 'Rundum'-Panorama des Landeplatzes angefertigt werden soll. Eine ausführliche Timeline über die für den 11. und 12. November geplanten Aktivitäten finden Sie auf dieser Internetseite der ESA in englischer Sprache. Die weitere Untersuchung des Kometen 67P durch Philae könnte unter optimalen Bedingungen bis zum März 2015 fortgesetzt werden. Spätestens ab diesem Zeitpunkt - so die Erwartungen der beteiligten Wissenschaftler - wird die Temperatur im Inneren des Landers so weit ansteigen, dass wichtige Systeme beschädigt werden und dauerhaft ausfallen.

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