Komet Tschurjumow-Gerassimenko hat kein Magnetfeld

Kombinierte Messungen der Raumsonde Rosetta und der von ihr mitgeführten Landeeinheit Philae zeigen, dass der Kern des Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko über kein eigenes Magnetfeld verfügt. Dies deutet darauf hin, dass Magnetismus somit in der Entstehungsphase unseres Sonnensystems vermutlich keine nennenswerte Rolle bei der Akkretion von mehr als einen Meter durchmessenden Objekten spielte.

Erstellt von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESA, TU Braunschweig, Science

Nach einem mehr als zehn Jahre andauernden Flug erreichte die von der europäischen Weltraumagentur ESA betriebene Raumsonde Rosetta am 6. August 2014 das Ziel ihrer Reise – den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko (der Einfachheit halber ab hier als „67P“ abgekürzt). Seitdem ‚begleitet‘ Rosetta diesen Kometen auf seinem weiteren Weg in das innere Sonnensystem und untersucht dieses Relikt aus der Entstehungsphase unseres Sonnensystems dabei intensiv mit elf wissenschaftlichen Instrumenten.

Die Entstehungsgeschichte unseres Sonnensystems

Die Sonne – das Zentralgestirn unseres Sonnensystems – entwickelte sich vor etwa 4,6 Milliarden Jahren aus einer interstellaren Gas- und Staubwolke – der so genannten Urwolke – welche schließlich durch gravitative Einflüsse kollabierte. Hierbei bilden sich im Inneren diesen Wolke eine dichte und sehr heiße Materiekonzentration, welche sich letztendlich im Rahmen einer stellaren Kernfusion entzündete und im Rahmen dieses Prozesses zu einem ’neu geborenen‘ Stern wurde. Das bei dieser Sternentstehung nicht verbrauchte Material konzentrierte sich zunächst in einer die Sonne umgebenden protoplanetaren Scheibe und war das Ausgangsmaterial für die sich im Verlauf eines komplexen Entstehungsprozesses innerhalb unseres Sternsystems bildenden Kometen, Asteroiden und Planeten.

Die Kometen bewegen sich auf stark elliptischen Umlaufbahnen um die Sonne. Den Großteil ihrer Existenz fristen diese auch als ’schmutzige Schneebälle‘ bezeichneten Objekte dabei fernab der Sonne als kalte, nahezu unveränderliche Brocken, welche im Wesentlichen aus Wassereis, Staub- und Gesteinspartikeln sowie verschiedenen gefrorenen Gasen wie zum Beispiel Kohlenstoffdioxid, Methan und Ammoniak bestehen. Die Kometen sind wahrscheinlich die ältesten und seitdem weitgehend unverändert gebliebenen Überreste der protoplanetaren Scheibe. In den Kometen ist diese Materie aus der Entstehungszeit unseres Sonnensystems dabei bis in die Gegenwart wie in einer ‚kosmischen Tiefkühltruhe‘ konserviert.

Das Hauptziel der Rosetta-Mission, so die beteiligten Wissenschaftler, besteht darin, durch die Untersuchung der zu ermittelnden chemischen und physikalischen Eigenschaften des Kometen 67P ein noch besseres Verständnis über die Entstehungs- und Entwicklungsgeschichte unseres Sonnensystems zu erlangen.

Die Rolle des Magnetismus

Erkenntnisse über die magnetischen Eigenschaften der Objekte in unserem Sonnensystem lassen dabei weitreichende Rückschlüsse über deren Beschaffenheit und Entstehungsgeschichte zu. Der ursprünglich in der die Sonne umgebenden protoplanetaren Scheibe konzentrierte Staub enthielt einen nennenswerten Anteil an Eisen, welches dabei teilweise in Form von Magnetit vorlag. Dies ergibt sich aus dem Fund von millimetergroßen Partikeln dieses magnetischen Materials im Inneren von Meteoriten. Aus diesem Grund halten es die Planetenforscher für denkbar, dass Magnetfelder, welche sich einstmals wie ‚Fäden‘ durch die protoplanetare Scheibe zogen, eine wichtige Rolle bei dem Transport und der Akkretion des Materials gespielt haben könnten, aus dem sich später größere Objekte bildeten.

Durch die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von Kometen könnten sich Hinweise darauf ergeben, welche konkrete Rolle solche Magnetfelder bei dem Akkretionsprozess einnahmen, bei dem die einzelnen Partikel zunächst zu Objekten mit Durchmessern von Zentimetern, Metern und schließlich sogar Dutzenden von Metern ‚zusammenwuchsen‘, bevor sie sich dank ihrer nun ausreichend großen Masse und der dominierenden Gravitationsanziehung zu Körpern mit Ausmaßen von Hunderten von Metern oder gar Kilometern verbinden konnten.

Verschiedene Theorien bezüglich der Aggregation magnetischer und nicht magnetischer Staubpartikel zeigen, dass die sich bildenden größeren Objekte möglicherweise ebenfalls magnetisiert blieben, wodurch sie ebenfalls von den Magnetfeldern der protoplanetaren Scheibe beeinflusst werden konnten.

Diese Theorien, so die Planetenforscher, lassen sich durch die direkte Untersuchung von Kometen überprüfen. Aufgrund der geringen Größe von Kometenkernen ist zwar nicht zu erwarten, dass in deren Inneren Dynamoprozesse ablaufen, welche beispielsweise für die Entstehung des Erdmagnetfeldes verantwortlich sind. Eine ‚bleibende‘ Magnetisierung der Bestandteile des kometaren Materials sollte jedoch bis in die Gegenwart nachweisbar sein.

Bei früheren Weltraummissionen, welche verschiedene kurzperiodische Kometen zum Ziel hatten, war der Nachweis oder gar die Analyse von Kometen-Magnetfeldern jedoch extrem schwierig bis unmöglich, da die damit verbundenen Untersuchungen im Rahmen von rasch erfolgenden Vorbeiflügen, welche zudem relativ weit von den jeweiligen Kometenkernen entfernt stattfanden, erfolgten. Durch die Messdaten der Raumsonde Rosetta und des von dieser mitgeführten Kometenlanders Philae ergaben sich jetzt allerdings neue Daten, welche die erste detaillierte Untersuchung der magnetischen Eigenschaften eines Kometenkerns ermöglichten.

Magnetfeldmessungen bei dem Kometen 67P

Der von Rosetta mitgeführte Kometenlander Philae wurde am Morgen des 12. November 2014 von der Raumsonde abgetrennt und kam schließlich nach einer mehrfachen Landung, bei der insgesamt vier mal ein Bodenkontakt erfolgte, auf der Oberfläche von 67P zum Stehen. Bereits während des ‚Anfluges‘ an dem Kometen kamen mehrere der zehn wissenschaftlichen Instrumente des Landers zum Einsatz und auch nach der finalen Landung wurden über einen Zeitraum von mehr als 54 Stunden eine Vielzahl an Messungen durchgeführt.

Bei einem dieser Instrumente handelte es sich um den Instrumentenkomplex ROMAP (kurz für Rosetta Lander Magnetometer and Plasmamonitor). ROMAP vermaß während des Abstieges auf die Kometenoberfläche und nach der erfolgreichen Landung die Plasmaumgebung und das Magnetfeld des Kometen. Zeitgleich erfolgten ähnliche Messungen mit einem der Instrumente des Orbiters Rosetta. Das RPC (kurz für Rosetta Plasma Consortium) vereint ein Paket von mehreren Einzelinstrumenten zu dem auch ein Fluxgate-Magnetometer (kurz RPC-MAG) gehört.

Minimale Veränderungen in der Magnetfeldumgebung von Rosetta ermöglichten es dem RPC-MAG den genauen Zeitpunkt zu bestimmen, an dem Philae am 12. November 2014 ausgesetzt wurde. Anschließend registrierte das ROMAP-Instrument des Landers periodisch auftretende Variationen im gemessenen äußeren Magnetfeld und Bewegungen in seinem Ausleger und konnte auf diese Weise die einzelnen Berührungen des Landers mit dem Kometen und die Ausrichtung von Philae in den folgenden Stunden ermitteln. In Kombination mit den Daten des Orbiter-Instruments CONSERT, welches eine Schätzung des endgültigen Landeortes lieferte, Aufnahmen des OSIRIS-Kamerasystems auf Rosetta, zeitlichen Informationen, Annahmen über das Gravitationsfeld des Kometen und Messungen seiner äußeren Form und Gestalt war es den an der Mission beteiligten Wissenschaftlern und Ingenieuren schließlich möglich, die Flugbahn von Philae zu bestimmen.

Das Missionsteam entdeckte hierbei sehr schnell, dass Philae insgesamt viermal mit der Kometenoberfläche in Kontakt kam. Dieses komplexe Landemanöver lieferte dem ROMAP-Team interessante wissenschaftliche Erkenntnisse, welche in der vergangenen Woche auf einer Fachkonferenz – der Generalversammlung der Europäischen Vereinigung für Geowissenschaften (EGU) – in Wien vorgestellt wurden.

„Dank des ungeplanten Flugs über die Oberfläche konnten wir mit Philae präzise Magnetfeldmessungen an den vier Punkten durchführen, an denen die Landeeinheit mit der Oberfläche in Kontakt kam, sowie in einem großen Bereich über der Oberfläche“, erklärt Dr. Hans-Ulrich Auster, der Leiter des Lander-Magnetometerteams vom Institut für Geophysik und Extraterrestrische Physik (IGEP) der TU Braunschweig und Erstautor der kürzlich in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Ergebnisse.

Kein eigenes Magnetfeld

Durch das mehrfache Auf und Ab während des Landeanflugs über die Kometenoberfläche konnte das Team Messungen im Orbit und an der Oberfläche vergleichen. Hierbei wies das ROMAP während dieser verschiedenen Flugphasen tatsächlich ein Magnetfeld nach. Es zeigte sich jedoch, dass dessen Stärke nicht von der Höhe oder dem Standort von Philae über der Oberfläche abhängig war. Diese Messergebnisse schließen somit aus, dass der Kern des Kometen 67P für dieses Magnetfeld verantwortlich ist. Wäre dessen Kern oder Oberfläche tatsächlich magnetisch, so hätte das ROMAP während der Annäherung an die Oberfläche einen deutlichen Anstieg der Magnetfeldstärke registrieren müssen. Dies, so Dr. Auster weiter, war jedoch bei keinem der Landeorte der Fall.

Das gemessene Magnetfeld war vielmehr mit einer externen Quelle, nämlich dem Einfluss des interplanetaren Magnetfeldes des Sonnenwindes in der Nähe des Kometenkerns, konsistent. Diese Schlussfolgerung wird durch die Tatsache bestätigt, dass die von Philae gemessene Abweichungen im Magnetfeld mit denjenigen übereinstimmen, welche gleichzeitig mit dem RPC-MAG von Rosetta detektiert wurden.

„Die bemerkenswerte Übereinstimmung der Messungen im Orbit und an der Oberfläche ist ein untrüglicher Hinweis darauf, dass sich an dem an der Oberfläche gemessenen Magnetfeld im Wesentlichen die Eigenschaften des Magnetfeldes in der kometaren Koma widerspiegeln“, erläutert Dr. Ingo Richter vom IGEP der TU Braunschweig, der Instrumenten-Manager des RPC-MAG.

„Während der Landung von Philae befand sich Rosetta etwa 17 Kilometer über der Oberfläche und wir konnten komplementäre Magnetfeldmessungen durchführen, die lokale magnetische Anomalien der Oberflächenmaterialien des Kometen ausschließen“, so Prof. Karl-Heinz Glaßmeier von der TU Braunschweig, der Leiter des RPC-MAG-Teams und Co-Autor der im Science-Journal publizierten Studie.

Wenn größere Anteile des Materials auf der Oberfläche von 67P magnetisiert wären, so hätte das ROMAP zudem zusätzliche Variationen im Signal aufzeichnen müssen, als Philae direkt über diese hinweg flog. Dies war jedoch nicht der Fall.

„Falls Material magnetisiert ist, so muss sich dieses unterhalb einer Größenordnung von einem Meter – dies entspricht der räumlichen Auflösung unserer Messungen – bewegen. Und wenn der Komet 67P/Tschurjumow-Gerassimenko für alle Kometenkerne repräsentativ ist, so lässt dies nur den Schluss zu, dass Magnetfelder in der Region, in der die Kometen entstanden sind, vermutlich keine Rolle für die Akkretion von mehr als einen Meter großer planetarer Brocken gespielt hat“, so Dr. Auster.

Insgesamt zeigen die Daten, dass die Magnetfeldstärke an der Kometenoberfläche, gemessen an mehreren Punkten über einen weiten räumlichen Bereich, geringer als zwei Nanotesla – dies entspricht in etwa lediglich einem Fünfzigtausendstel der Stärke des Erdmagnetfeldes – ausfällt. Dies ist weniger als zuvor publizierte Werte für die Magnetfeldstärken von Proben von der Mondoberfläche oder von Meteoriten, welche in Laboreinrichtungen auf der Erde untersucht wurden.

Die hier kurz vorgestellten Forschungsergebnisse der Instrumente ROMAP und RPC-MAG wurden von Dr. Hans-Ulrich Auster et al. am 14. April 2015 in der Fachzeitschrift Science unter dem Titel „The non-magnetic nucleus of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko“ publiziert und der Öffentlichkeit am selben Tag zudem bei der jährlichen Generalversammlung der Europäischen Vereinigung für Geowissenschaften (EGU) in Wien während einer Pressekonferenz vorgestellt.

„Es ist faszinierend zu sehen, wie sich die Messungen von Rosetta und Philae ergänzen und zusammen eine Antwort auf die einfache, aber dennoch wichtige Frage liefern, ob der Komet magnetisiert ist oder nicht“, so der Kommentar von Matt Taylor, ESA-Projektwissenschaftler der Rosetta-Mission.

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