Der Komet Siding Spring besucht den Mars

Am Abend des 19. Oktober 2014 wird der Komet C/2013 A1 (Siding Spring) den Mars in einer Entfernung von lediglich 139.500 Kilometern passieren. Gleich fünf derzeit im Marsorbit befindliche Raumsonden und zwei auf der Planetenoberfläche aktive Marsrover werden diese einmalige Gelegenheit nutzen, um wissenschaftliche Daten über den Kometen zu sammeln. Dabei erhoffen sich die Wissenschaftler unter anderem auch Erkenntnisse über die Wechselwirkung des Kometen mit der Marsatmosphäre.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: NASA, ESA, Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, CIOC, The Planetary Society, Wikipedia.

Eigentlich handelt es sich bei dem bereits am 3. Januar 2013 von dem australischen Astronomen Robert H. McNaught entdeckten Kometen „C/2013 A1 (Siding Spring)“ um einen eher unspektakulären Kometen, welcher derzeit eine scheinbare Helligkeit von lediglich etwa 10,5 bis 11 mag erreicht. Für eine erfolgreiche Beobachtung ist also ein leistungsstarkes Teleskop nötig. Erschwert wird eine solche Beobachtung zudem durch die Position, welche der Komet von Mitteleuropa aus betrachtet derzeit am Himmel einnimmt. Er bewegt sich gegenwärtig zwischen den Sternbildern Schütze und Skorpion und befindet sich somit am abendlichen Himmel nur sehr tief über dem südlichen Horizont. Für Amateurastronomen stellt der Komet Siding Spring somit kein verlockendes Beobachtungsziel dar.

Vollkommen anders gestaltet sich die Situation dagegen für die professionellen Astronomen und Wissenschaftler, deren Augenmerk zur Zeit mit wachsender Spannung auf den Kometen Siding Spring gerichtet ist. Der Grund hierfür ist die Bahn, auf der sich dieser Komet gegenwärtig durch das innere Sonnensystem bewegt.

Kometen sind Überreste aus der Entstehungsphase unseres Sonnensystems, welche sich auf elliptischen Umlaufbahnen um die Sonne bewegen. Die langperiodischen Kometen, zu denen auch C/2013 A1 (Siding Spring) zählt, entstammen der sogenannten Oortschen Wolke – einem Bereich des äußersten Sonnensystems, welcher vermutlich die Heimat von mehreren 100 Milliarden Kometen darstellt. Weit entfernt von der Sonne haben sich die dort befindlichen Kometen seit der Geburtsstunde unseres Sonnensystems kaum verändert. Durch gravitative Störungen werden die Umlaufbahnen der dortigen Kometen allerdings gelegentlich verändert, wodurch einige von ihnen in das innere Sonnensystem abgelenkt werden können. Die dabei erreichten Umlaufperioden dieser Kometen können dann von einigen zehntausend Jahren bis hin zu mehreren Millionen Jahren betragen.

Den Großteil ihrer Existenz fristen diese auch als ’schmutzige Schneebälle‘ bezeichneten Objekte jedoch 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 langsam ablaufende Verwandlung ein.

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. Aus dieser Kometenkoma entwickelt sich aufgrund des von der Sonne ausgehenden Strahlungsdrucks anschließend auch ein ‚Schweif‘, welcher den Kometen ihr charakteristisches Aussehen verleiht.

Allerdings sind die dabei ablaufenden Prozesse längst noch nicht bis ins letzte Detail verstanden. Welche Faktoren setzen diesen Ausstoß von Gas und Staub in Gang? Wie entwickelt sich die Aktivität? Und welche Prozesse auf der Oberfläche und im Inneren des Kometenkerns spielen dabei welche Rolle? Durch die Untersuchung des Kometen Siding Spring erhoffen sich die Wissenschaftler Antworten auf einige dieser Fragen. Hierbei kommt ihnen ein Zufall zu Hilfe.

Der Mars bekommt Besuch
Am Abend des 19. Oktober 2014 wird der Komet C/2013 A1 (Siding Spring) auf seinem Weg durch das innere Sonnensystem den äußeren Nachbarplaneten der Erde – den Mars – um 20:27 MESZ in einer Entfernung von lediglich 139.500 Kilometern passieren. Dies entspricht weniger als einem Drittel der Entfernung, welche zum Beispiel den Mond von der Erde trennt. Bei diesem Ereignis handelt es sich zugleich um die engste jemals beobachtete Passage eines Kometen an einem Planeten.

Zum Vergleich: Die dichtste jemals beobachtete Passage eines Kometen an der Erde erfolgte in einer Entfernung von etwa 2,2 Millionen Kilometern. Allerdings standen den Astronomen damals – diese Passage des Kometen Lexell erfolgte bereits am 1. Juli 1770 – nur sehr begrenzte Möglichkeiten zur Beobachtung dieses Himmelskörpers zur Verfügung.

Ganz anders gestaltet sich die Situation allerdings in der Gegenwart. Trotz der großen Entfernung von rund 240 Millionen Kilometern, in der sich der Komet derzeit von der Erde befindet, kann dieser sowohl mit erdgestützten Großteleskopen als auch mit verschiedenen Weltraumteleskopen eingehend untersucht werden. Ein nochmals deutlich besserer Blick auf Siding Spring bietet sich für die Wissenschaftler dagegen direkt vom Mars aus. Gegenwärtig befinden sich gleich fünf aktive Orbiter in Umlaufbahnen um unseren Nachbarplaneten. Außerdem sind zwei Rover auf der Marsoberfläche aktiv. Diesen Marsorbitern und -rovern bietet sich die einzigartige Gelegenheit, dieses seltene Schauspiel ganz aus der Nähe zu verfolgen. In den kommenden Tagen sollen deshalb die Messinstrumente, mit denen die ‚Mars-Kundschafter‘ ausgestattet sind, dazu genutzt werden, um den Kometen Siding Spring eingehender zu untersuchen.

Der Komet ist derzeit mit einer mehrere zehntausend Kilometer durchmessenden Koma umgeben. Es wird erwartet, dass während der Passage des Kometen Gaspartikel und Staubteilchen aus der Koma und dem Schweif des Kometen in die Marsatmosphäre eintreten und dabei mit dieser interagieren. Außerdem erhoffen sich die Wissenschaftler Erkenntnisse über den vermutlich nur wenige Kilometer durchmessenden Kern des Kometen.

Geplante Untersuchungen der NASA
Die beiden von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebenen Marsrover Opportunity und Curiosity werden so zum Beispiel versuchen, mit ihren Kameras Aufnahmen des Kometen anzufertigen. Obwohl die dichteste Annäherung des Kometen von diesen beiden Rovern aus betrachtet während des Tages erfolgt erscheint diese Absicht erfolgversprechend. Der Komet soll – vom Mars aus betrachtet – eine Helligkeit von bis zu minus sechs Magnitude erreichen. Damit wäre er heller als der Planet Venus, der – von der Erde aus betrachtet – eine Helligkeit von bis zu -4,6 mag erreichen kann. Außerdem soll von diesen beiden Rovers der Nachthimmel über den jeweiligen Operationsgebieten abgebildet werden. Auf diesen Aufnahmen, so die Erwartungen der beteiligten Wissenschaftler, sind dann eventuell Meteore zu erkennen, bei denen es sich um in die Marsatmosphäre eintretende Staubteilchen des Kometen handeln könnte.

Die besten Aufnahmen des Kometen Siding Spring sind allerdings von der HiRISE-Kamera, einem der sechs wissenschaftlichen Instrumente an Bord des Marsorbiters Mars Reconnaissance Orbiter (kurz MRO) zu erwarten. Dieser ebenfalls von der NASA betriebene Marsorbiter konnte zuletzt im Herbst 2013 den Kometen C/2012 S1 (ISON) abbilden, welcher sich zu diesem Zeitpunkt in einer Entfernung von etwa 11 Millionen Kilometern zum Mars befand. Auch die ebenfalls auf dem MRO befindlichen, allerdings deutlich niedriger auflösenden Kamerasysteme CTX, MARCIE und MCS sollen zur Abbildung der Koma des Kometen genutzt werden.

Weitere Daten soll zudem das CRISM-Spektrometer (kurz für „Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars“) des MRO liefern. Das CRISM ist ein abbildendes Spektrometer, welches eigentlich für die Untersuchung von auf der Marsoberfläche abgelagerten Mineralien ausgelegt ist. Allerdings – so die Erwartung der Marsforscher – sollte dieses Instrument auch in der Lage sein, Informationen über die in der Koma und dem Schweif von Siding Spring enthaltenen Gas- und Staubpartikel zu liefern.

„Mit etwas Glück werden wir die Verteilung der verschiedenen Gase messen können und zudem auch etwas über die Natur des Staubes lernen“, so David Humm vom Applied Physics Laboratory an der Johns Hopkins University (JHU/APL) in Laurel im US-Bundesstaat Maryland, einer der am CRISM-Spektrometer beteiligten Wissenschaftler.

Auch der NASA-Marsorbiter Mars Odyssey, welcher sich bereits seit dem 24. Oktober 2001 in einer Marsumlaufbahn befindet und somit der derzeit ‚dienstälteste‘ Marsorbiter ist, wird seine zwei noch einsatzfähigen Instrumente nutzen, um zusätzliche Daten über die Koma des Kometen zu gewinnen.
Bei dem dritten für die Untersuchung von Siding Spring einzusetzenden NASA-Orbiter handelt es sich um die auf die Untersuchung der Marsatmosphäre spezialisierte Raumsonde MAVEN, welche den Mars erst am 22. September 2014 erreicht hat. Derzeit befindet sich die Raumsonde noch in einer „Check-Out-Phase“, in deren Verlauf der allgemeine Zustand überprüft und die Einsatzfähigkeit der Instrumente bestätigt werden soll. Sofern dabei keine unvorhergesehenen Probleme auftreten sollen auch drei der insgesamt acht Instrumente von MAVEN genutzt werden, um den Kometen und speziell dessen Interaktion mit der Marsatmosphäre zu untersuchen. Mit einem abbildenden UV-Spektrometer sollen dabei Spektraldaten des Kometen gewonnen werden. Außerdem soll MAVEN ermitteln, ob und – wenn ja – in welchem Umfang Methan und Wasserstoff von dem Kometen in die Marsatmosphäre transferiert wird und ob sich durch diese Prozesse deren Zusammensetzung verändert.

Europa hat ebenfalls einen Logenplatz
Ein weiterer ‚Veteran‘ in der derzeitigen Flotte der Marsorbiter ist die von der europäischen Weltraumagentur ESA betriebene Raumsonde Mars Express, welche sich bereits seit dem 25. Dezember 2003 in einer Umlaufbahn um den Mars befindet und unseren Nachbarplaneten seitdem mit sieben wissenschaftlichen Instrumenten untersucht. Neben der High Resolution Stereo Camera soll in den kommenden Tagen unter anderem der Teilchendetektor ASPERA-3 eingesetzt werden. Dieses Instrument dient der Analyse der Wechselwirkung der Marsatmosphäre mit dem interplanetaren Medium und misst dabei geladene und ungeladene Teilchen in der Atmosphäre und der Umgebung unseres Nachbarplaneten.

„ASPERA-3 wird während des gesamten Vorbeifluges aktiv sein“, so Dr. Markus Fränz vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen/Niedersachsen. „Wir erwarten, dass sich der Kometenschweif und die Marsatmosphäre zum Teil vermischen werden.“ Die Wissenschaftler gehen aufgrund von Computersimulationen davon aus, dass der Komet Siding Spring während der Phase des Vorbeifluges an dem Mars pro Sekunde rund 100 Kilogramm fremden Materials in die Marsatmosphäre einbringen wird. „Diese geringen Teilchendichten machen die Messungen zu einer großen Herausforderung“, so Dr. Fränz weiter.

Dennoch erwarten die Wissenschaftler, dass sie verfolgen können, wie sich die Zusammensetzung der Marsatmosphäre durch das von dem Kometen freigegebene Material geringfügig verändern wird. Neben anderen Ionen und Molekülen müsste das ASPERA-Instrument zum Beispiel Wassermoleküle aufspüren können, welche in den obersten Schichten der Marsatmosphäre normalerweise nur in einem geringen Umfang vorkommen. Durch die ASPERA-3-Messungen sollen die Bestandteile des Kometenschweifs identifiziert werden. „Die Zusammensetzung des Schweifs von Siding Spring auf diese Weise zu entschlüsseln, liefert uns ein weiteres Puzzleteil zum Verständnis der Entstehung unseres Sonnensystems“, so Dr. Fränz.

Der indische Marsorbiter Mangalyaan
Bei dem fünften für die Untersuchung des Kometen „C/2013 A1 (Siding Spring)“ einzusetzenden Marsorbiters handelt es sich um die Raumsonde Mangalyaan, welche den Mars am 24. September 2014 und somit lediglich zwei Tage nach der Raumsonde MAVEN erreichte. Die Mars Orbiter Mission (kurz MOM) – so der offizielle Name dieser Mission – ist eine Raumsonde der indischen Raumfahrtbehörde ISRO.
Die Mars Orbiter Mission wird von der ISRO als ‚Technologiedemonstrations-Mission‘ bezeichnet, mit der nachgewiesen werden soll, dass Indien über das Wissen und die technischen Fähigkeiten verfügt, eine Raumsonde in den Orbit eines anderen Planeten zu entsenden. Vorlage für MOM war der indische Mondorbiter Chandrayaan-1, welcher den Mond unseres Heimatplaneten von November 2008 bis zum August 2009 umkreiste. MOM soll den Mars über einen Zeitraum von mindestens sechs Monaten umkreisen und dabei mit insgesamt fünf Instrumenten die Atmosphäre und das Wetter des Mars untersuchen. Als ‚wissenschaftliche Zugabe‘ erhoffen sich die indischen Wissenschaftler Erkenntnisse über den Verbleib des einstmals flüssigen Wassers auf der Oberfläche unseres Nachbarplaneten und über das eventuell in der Atmosphäre enthaltene Methan.

Die ISRO will den Kometen mit der an Bord des Orbiters befindlichen „Mars Color Camera“ abbilden und zudem Messungen bezüglich der in der Koma enthaltenen Gase durchführen. Die diesbezüglichen wissenschaftlichen Messungen sollen mit den Messungen des NASA-Orbiters MAVEN koordiniert werden.

„Jeder Komet ist ein wenig anders“, so Dr. Fränz. „Indem wir möglichst viele genau untersuchen, können wir uns ein immer besseres Bild von ihrem Entstehungsort machen.“ Die Untersuchung des Kometen C/2013 A1 (Siding Spring) bei seiner Marspassage könnte dabei helfen, die Natur dieser immer noch rätselhaften Himmelskörper weiter zu entschlüsseln. Besonders interessant ist dabei die Tatsache, dass der Komet Sinding Spring der erste durch Raumsonden untersuchte Komet sein wird, welcher direkt aus der Oortschen Wolke stammt.

Gefahr für die Raumsonden
Allerdings birgt diese dichte Begegnung zwischen dem Mars und dem Kometen C/2013 A1 (Siding Spring) für die Wissenschaftler nicht nur eine einmalige Gelegenheit für die Untersuchung des Kometen – sie beinhaltet zugleich auch ein gewisses Gefahrenpotential für die Marsorbiter. Hierfür verantwortlich sind die Staubpartikel, welche von der Oberfläche des Kometenkerns in das umgebende Weltall entweichen und dabei entlang der Kometenbahn einen sich langsam immer weiter ausdehnenden Staubschweif bilden.

Etwa 90 Minuten nach der dichtesten Annäherung des Kometenkerns an den Mars wird sich unser Nachbarplanet der Bahn des Kometen bis auf eine Entfernung von etwa 28.000 Kilometern nähern. Ungefähr zu diesem Zeitpunkt ist die Gefahr am größten, dass Staubpartikel des Kometen, welche sich dabei mit einer Geschwindigkeit von 56 Kilometern pro Sekunde relativ zum Mars und den ihn umkreisenden Raumfahrzeugen bewegen, mit den Orbitern kollidieren. Selbst diese normalerweise nur mikroskopisch kleinen und entsprechend massearmen Partikel könnten dabei aufgrund der hohen Aufprallgeschwindigkeiten zu ernsthaften Beschädigungen führen. Neben den empfindlichen Optiken der Messinstrumente sind dabei besonders die großflächigen, für die Energieversorgung benötigten Solarzellenausleger einem erhöhten ‚Trefferrisiko‘ ausgesetzt. Im schlimmsten Fall könnten solche Kollisionen zum Ausfall einer Raumsonde führen.

Modellrechnungen führten Ende des vergangenen Jahres zu dem Schluss, dass der Mars während der Kometenpassage pro Quadratmeter im Durchschnitt von einem Staubteilchen getroffen werden könnte. Für den ESA-Orbiter Mars Express, welcher selbst in einer optimalen Lageausrichtung immer noch eine ‚Angriffsfläche‘ von etwa drei Quadratmetern bietet, hätte dies zum Beispiel bedeutet, dass er von bis zu drei Staubteilchen getroffen werden könnte.
Um dieses Risiko so weit wie möglich zu minimieren haben die für die Steuerung der Raumsonden verantwortlichen Mitarbeiter der beteiligten Weltraumagenturen die Umlaufbahnen der Marsorbiter durch gezielte Schubmanöver so weit verändert, dass diese sich während der Phase der dichtesten Annäherung an den Staubschweif des Kometen auf der anderen Seite des Planeten befinden werden und den Mars dabei als eine Art ’natürlichen Schutzschild‘ nutzen. Der NASA-Orbiter MRO hat entsprechende Orbitkorrekturmanöver bereits am 2. Juli und am 27. August durchgeführt, Mars Odyssey am 5. August. Bei dem erst kürzlich eingetroffene Orbiter MAVEN erfolgte ein entsprechendes Orbitkorrekturmanöver am 9. Oktober.

Bereits zwei Tage zuvor wurde der Orbit der Raumsonde Mangalyaan so verändert, dass sich diese zum Zeitpunkt der dichtesten Annäherung des Kometen an den Mars auf der von dem Kometen abgewandten Seite des Planeten in einer Höhe von rund 400 Kilometern über der Marsoberfläche bewegen wird. Und auch der ESA-Marsorbiter Mars Express absolvierte im Sommer ein Korrekturmanöver, durch welches er sich in dem betreffenden Zeitraum hinter dem Mars befinden wird.

Im Sommer dieses Jahres wurde dann auch der Wert bezüglich der zu erwartenden ‚Trefferraten‘ korrigiert. Basierend auf neuen Berechnungen, welche die aktuelle Aktivität des Kometen und die Verteilung des Staubschweifes mit einbeziehen, wird die Trefferwahrscheinlichkeit für Mars Express derzeit mit einem Wert von nur noch 1:300.000 angegeben. Die Phase der ‚größten Gefahr‘ für die Flotte der Marsorbiter wird außerdem nur wenige Minuten andauern. Bereits nach etwa 20 Minuten wird die Teilchendichte des Staubschweifes wieder deutlich abfallen, da sich der Mars aufgrund seiner Umlaufbewegung um die Sonne immer weiter von dem Zentrum des sich langsam ausbreitenden Schweifs entfernt.

Keine Gefahr für die Rover
Die beiden Marsrover Opportunity und Curiosity sind dagegen vor dem Kometen Siding Spring und dessen Staubschweif gut geschützt. Trotz ihrer geringen Dichte bietet die dünne Marsatmosphäre einen ausreichenden Schutz und wird verhindern, dass die von C/2013 A1 (Siding Spring) ausgehenden Staubpartikel die Marsoberfläche erreichen.

Die nächsten Tage bleiben auf jeden Fall spannend. Werden die den Mars umkreisenden Raumsonden die Marspassage von Siding Spring – wie erhofft – unbeschadet überstehen? Die folgenden Monate werden die an den einzelnen Missionen beteiligten Wissenschaftler dann mit der Auswertung der Daten verbringen. Erste Erkenntnisse dieses einmaligen Ereignisses sollen bereits im Dezember 2014 während der diesjährigen Herbsttagung der American Geophysical Union in San Francisco/Kalifornien präsentiert werden.

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