Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESA.

Mittlerweile sind mehr als 136 Jahre vergangen, seit der US-amerikanische Astronom Asaph Hall im August 1877 die beiden Marsmonde Phobos und Deimos entdeckte. Seitdem wurden diese beiden unregelmäßig geformten, jeweils nur wenige Kilometer durchmessenden und entsprechend lichtschwachen Monde unzählige Male von erdgestützten Teleskopen, von Weltraumteleskopen und von den Mars umkreisenden Raumsonden abgebildet. Auch die von der US-amerikanischen Weltraumbehörde betriebenen, auf der Marsoberfläche operierenden Rover Spirit, Opportunityund Curiosity konnten die beiden Monde während der letzten Jahre erfolgreich von der Marsoberfläche aus mit ihren hochauflösenden Kameras abbilden und dabei sogar mehrfach Sonnenfinsternisse beobachten (Raumfahrer.net berichtete).

Die von der europäischen Weltraumorganisation ESA betriebene Raumsonde Mars Express umrundet den Mars auf einer elliptischen, fast genau über die Pole führenden Umlaufbahn. Der entfernteste Punkt dieser Umlaufbahn ist rund 11.000 Kilometer von der Marsoberfläche entfernt. Im Gegensatz zu den beiden anderen gegenwärtig aktiven Marsorbitern, den von der NASA betriebenen Raumssonden Mars Odyssey und Mars Reconnaissance Orbiter, kreuzt Mars Express somit auch in regelmäßigen zeitlichen Abständen die Umlaufbahn des inneren Marsmondes Phobos. Hierbei kommt es etwa alle fünf Monate zu mehreren aufeinanderfolgenden und relativ dichten Begegnungen zwischen Mars Express und Phobos. Am 4. März 2010 näherte sich die Raumsonde der Oberfläche von Phobos dabei zum Beispiel bis auf eine Entfernung von lediglich 67 Kilometern (Raumfahrer.net berichtete).

Dieser bisherige Rekord wird jedoch bereits in wenigen Tagen „fallen“, denn am kommenden Sonntag, dem 29. Dezember 2013 wird Mars Express um 08:09 MEZ die Oberfläche von Phobos in einer Entfernung von diesmal sogar nur 45 Kilometern überfliegen. Aufgrund dieser geringen Entfernung und der hohen Geschwindigkeit, mit der sich Mars Express dabei relativ zu dem Marsmond bewegt, wird es allerdings leider nicht möglich sein, die Oberfläche des Mondes mit der High Resolution Stereo Camera (kurz „HRSC“), einem der insgesamt sieben wissenschaftlichen Instrumente an Bord des Marsorbiters, abzubilden. Stattdessen soll der Vorbeiflug in erster Linie genutzt werden, um weitere Informationen zu gewinnen, mit denen Aussagen über den inneren Aufbau dieses Mondes getätigt werden können.

Das Innere von Phobos wird „vermessen“
Der unregelmäßig geformte, etwa 26,8 x 22,4 x 18,4 Kilometer abmessende Mond verfügt zwar lediglich über eine relativ geringe Masse von rund 1,072 x 10^16 Kilogramm. Dieser Wert ist jedoch ausreichend, um die Raumsonde bei ihrer Passage zwar minimal, aber doch deutlich spürbar von der vorgesehenen Flugbahn abzulenken. Diese Abweichung macht sich durch eine geringfügig veränderte Laufzeit der Radiosignale, welche Mars Express während des Vorbeifluges konstant zur Erde aussenden wird, bemerkbar. Durch die Auswertung dieser auf dem Doppler-Effekt basierenden Daten lässt sich nicht nur die Masse von Phobos und die sich daraus ergebende mittlere Dichte näher bestimmen. Vielmehr können hierdurch auch Aussagen über den inneren Aufbau von Phobos getätigt werden.

Durch eine sorgfältige Auswertung der früheren Messergebnisse kamen die mit der Untersuchung von Phobos beschäftigten Wissenschaftler zu dem Schluss, dass es sich bei diesem Mond, welcher über eine mittlere Dichte von lediglich 1,86 plus/minus 0,02 Gramm pro Kubikzentimeter verfügt, nicht um einen homogenen Himmelskörper, sondern vielmehr um einen sogenannten Rubble Pile handeln muss – eine Ansammlung von Staub und Gesteinsfragmenten, welche letztendlich lediglich durch die gegenseitig wirkenden Gravitationskräfte zusammengehalten wird.

Aus den bisherigen Untersuchungen ergibt sich, dass Phobos in seinem Inneren über eine sehr schwammartige Struktur verfügt, welche sich zu etwa 25 bis 45 Prozent aus Hohlräumen zusammensetzt. Durch die in den nächsten Tagen zu erwartenden Resultate der Doppler-Messungen, welche aufgrund der nochmals geringeren Vorbeiflugentfernung noch aussagekräftiger sein werden als zuvor, erhoffen sich die beteiligten Wissenschaftler noch genauere Daten, mit denen die Modelle über den inneren Aufbau von Phobos noch weiter präzisiert werden können. Diese Daten sind besonders deshalb von Interesse, weil bisher immer noch nicht abschließend geklärt ist, wie der Mars in der Vergangenheit zu seinen beiden Monden gelangte (Raumfahrer.net berichtete).

Und es gibt doch Fotos…
Um die zu gewinnenden Daten jedoch in einen aussagekräftigen wissenschaftlichen Kontext versetzen zu können muss allerdings sowohl die exakte Position der Raumsonde als auch der genaue Aufenthaltsort von Phobos im Weltraum mit einer überaus hohen Genauigkeit bekannt sein. Zwecks der Ermittlung dieser Daten, welche sich mindestens im Meterbereich bewegen müssen, fertigte die HRSC-Kamera in den vergangenen Tagen mehrfach Aufnahmen an, welche sowohl den Marsmond als auch die dahinter befindlichen Hintergrundsterne wiedergaben.

Eine dieser Aufnahmen zeigt die Oberfläche des Mondes in dessen Äquatorregion. Aus einer Entfernung von etwa 500 Kilometern erreichte die HRSC-Kamera dabei eine Auflösung von etwa 6 Metern pro Pixel. Das am 22. Dezember angefertigte Foto wurde am 24. Dezember zur Erde übermittelt und noch am selben Tag von den Mitarbeitern des HRSC-Teams für die anschließende Veröffentlichung bearbeitet.

Sowohl in den kommenden Tagen bis zur dichtesten Annäherung als auch nach dem 29. Dezember soll die HRSC-Kamera weitere Aufnahmen von Phobos anfertigen. Ergänzend zu der Erforschung des Gravitationsfeldes von Phobos werden die Instrumente der Raumsonde verschiedene Messungen durchführen, mit denen sich der Einfluss des Sonnenwindes auf die Phobos-Oberfläche untersuchen lassen wird. Über die aktuellen Fortschritte der gegenwärtigen „Phobos-Kampagne“ berichten die beteiligten Mitarbeiter der ESA auf einer speziellen Internetseite.

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: EPSC 2010.

In der Nacht vom 11. auf den 12. August 1877 entdeckte der amerikanische Astronom Asaph Hall im Rahmen einer gezielten Beobachtungskampagne zwei kleine, unscheinbare Punkte, welche unseren äußeren Nachbarplaneten auf sehr engen Bahnen umlaufen. Bis in die Gegenwart war die Herkunft der beiden Marsmonde Phobos und Deimos eines der großen ungelösten Rätsel in der Entwicklungsgeschichte des inneren Sonnensystems. Die Wissenschaftler favorisierten dabei gleich drei Theorien.

Die in der Öffentlichkeit wohl bekannteste These besagt, dass es sich bei den beiden Objekten um zwei ehemalige Asteroiden aus dem Asteroidenhauptgürtel handelt, welcher zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter angesiedelt ist. Hierfür spricht unter anderem die Tatsache, dass beide Monde anscheinend eine gewisse Ähnlichkeit mit bestimmten dort vorkommenden Asteroiden-Typen aufweisen. Andere Meinungen gehen von einer Entstehung in unmittelbarer Nähe des Mars aus, wobei sich die beiden Monde aus einer Akkretionsscheibe gebildet haben sollen.

Das hierfür benötigte Material könnte entweder bei der Bildung des Mars nicht „verbraucht“ worden sein und somit unmittelbar aus der Frühzeit unseres Sonnensystems stammen oder aber durch die Zerstörung eines vorher in einer Umlaufbahn um den Mars befindlichen Objektes geliefert worden sein. Die dritte Theorie sieht dagegen als auslösenden Faktor für die Bildung der beiden Objekte einen gigantischen Asteroideneinschlag auf der Oberfläche des Mars. „Das Verständnis der Zusammensetzung der beiden Monde ist der Schlüssel, um ihre Entstehung erklären zu können“, so Dr. Marco Giuranna vom Instituto di Fiscia dello Spazio Interplanetario in Rom/Italien.

Die am vergangenen Montag auf dem gerade in Rom stattfindenden European Planetary and Science Congress (EPSC 2010) im Rahmen von insgesamt 12 Vorträgen vorgestellten Forschungsarbeiten verschiedener internationaler Wissenschaftlergruppen könnten jetzt dazu beitragen, genau dieses Verständnis zumindest für den inneren und größeren der beiden Monde zu verbessern. Die Resultate der einzelnen Arbeiten führen nach Meinung der beteiligten Wissenschaftler zu dem Schluss, dass sich Phobos einstmals infolge eines gewaltigen Impaktereignisses gebildet hat. Demzufolge, so Jean Pierre Bibring vom französischen Institut für Astrophysik, hätte in der Vergangenheit ein gewaltiger Asteroid oder Protoplanet den noch vergleichsweise jungen Mars getroffen.

Durch die Wucht des Einschlags wurde Material von der Planetenoberfläche weggeschleudert und formte in der unmittelbaren Umgebung des Mars eine Akkretionsscheibe, welche sich sowohl aus dem Material des Impaktors als auch aus Teilen der oberen Marskruste zusammensetzte. Aus dieser Scheibe bildete sich anschließend im Rahmen eines für die Planetenentstehung normalen Prozesses der heutige Marsmond Phobos. Die verschiedenen Computermodelle der Wisschenschaftlergruppen zeigen, dass sich durch dieses Entstehungsszenario die jetzt gewonnenen Daten bezüglich der mineralogischen Zusammensetzung, der Dichte, Masse und Umlaufbahn von Phobos am besten erklären lassen.

Vorangegangene Untersuchungen im sichtbaren und Nahinfrarotbereich deuteten auf das Vorhandensein von kohlenstoffreichem Material auf der Oberfläche des Mondes hin. Diese Oberflächenzusammensetzung wird normalerweise mit einer bestimmten Klasse primitiver Asteroiden im zentralen und äußeren Bereich des Hauptgürtels, den sogenannten C-Typ-Asteroiden assoziiert. Dies war bisher das Hauptargument für die Theorie des „eingefangenen Asteroiden“. Thermale Infrarotuntersuchungen, welche mit dem Planetary Fourier Spectrometer (PFS) an Bord der von der europäischen Weltraumagentur ESA betriebenen Marssonde Mars Express durchgeführt wurden, konnten das Vorhandensein dieses Materials jedoch nicht bestätigen.

Stattdessen kam das die Daten auswertende Wissenschaftlerteam um Dr. Giuranna zu dem Ergebnis, dass die angefertigten Spektralmessungen darauf hinweisen, dass die Mondoberfläche von sogenannten Phyllosilikaten dominiert wird, welche auch auf der Oberfläche des Mars vorhanden sind. „Wir konnten hier zum ersten Mal Phyllosilikate auf der Oberfläche von Phobos, speziell in einem Gebiet nordöstlich des Stickney-Kraters, nachweisen“, so Dr. Giuranna. „Dies ist insofern von besonderem Interesse, da sich diese Art von Mineralen nur bei einer erfolgenden Interaktion von silikatischem Gestein mit flüssigem Wasser bildet. Diese Wechselwirkung muss dabei nach unseren Erkenntnissen noch vor der Entstehung von Phobos stattgefunden haben.“ Des Weiteren hat das Team in einigen der aufgezeichneten Spektren Anzeichen für das Vorhandensein von Feldspat gefunden. Laut Dr. Giuranna weisen keine der bisher untersuchten Chondrite – auf der Erde gefundene Meteoriten, welche ihren Urspruch auf den C-Klasse-Asteroiden haben – eine vergleichbare Zusammensetzung auf.

In die gleiche Kerbe schlägt auch ein Team um Pierre Vernazza, welches sich ausführlich mit der Analyse von Meteoriten befasst hat. Bei mehreren der auf der Erde aufgefundenen Meteoriten gehen die Wissenschaftler aufgrund der Zusammensetzung davon aus, dass sie ursprünglich von Phobos stammen könnten. Eines dieser Objekte, der Meteorit „Taggish Lake“ wurde jetzt genauer untersucht. Dabei zeigte sich, dass sich dessen Spektrum zwar mit einigen Oberflächenspektren von Phobos deckt, der Meteorit jedoch mit einem Wert von 1,62 Gramm pro Kubikzentimeter eine deutlich geringere Dichte aufweist und somit aller Wahrscheinlichkeit nach nicht von Phobos stammen kann. „Sollte es sich bei Phobos wirklich um einen eingefangenen Asteroiden handeln, so sind uns bisher noch keine Meteorite mit einer entsprechenden Zusammensetzung bekannt“, so Pierre Vernazza. Dies wiederum wäre ein Indiz dafür, dass es sich bei Phobos nicht um einen ehemaligen Asteroiden handelt.

Ebenfalls mit der Zusammensetzung der Mondoberfläche beschäftigte sich das Team um Ernesto Palomba, welcher auch am Instituto di Fiscia dello Spazio Interplanetario tätig ist. Hierfür wurden die Daten des Thermal Emission Spectrometer (MGS-TES) an Bord des mittlerweile nicht mehr aktiven Marsorbiters Mars Global Surveyor unter Zuhilfenahme neuer Algorithmen erneut ausgewertet. Die auf diese Weise gewonnenen Ergebnisse geben deutliche Hinweise darauf, dass sich die Oberfläche von Phobos aus einer Mischung aus Phyllosilikanten, Olivinen und Pyroxenen zusammensetzt. Dies ist eine Komposition, welche sich definitiv nicht mit der Zusammensetzung der Asteroiden der Typen „C“ und „D“ deckt. Vielmehr weist das Material eine ähnliche Zusammensetzung wie einige Bereiche des Nili Fossae auf, welches sich auf dem Mars an der dortigen Grenze zwischen der nördlichen Tiefebene und dem südlichen Hochland befindet.

Unterstützt wird die These durch neue Messungen der Dichte des Marsmondes, welche das „Radio Science Experiment“-Team um Dr. Martin Pätzold vom Rheinischen Institut für Umweltforschung an der Universität Köln durchgeführt hat. Bei mehreren dichten Vorbeiflügen an dem Marsmond erlebte die Marssonde Mars Express durch die Gravitationskraft des Mondes bedingte minimalste Bahnabweichungen, welche sich durch die Veränderung eines von der Sonde ausgestrahlten Radiosignals bemerkbar machten. Durch die Stärke des dabei entstehenden Dopplereffektes konnten die Wissenschaftler die von Phobos ausgehende Gravitationsbeschleunigung und damit auch Masse und Dichte des Mondes neu bestimmen. Der dabei ermittelte Wert von lediglich 1,86 plus/minus 0,02 Gramm pro Kubikzentimeter ist deutlich geringer als die Dichte der auf der Erde gefundenen Meteoriten, welche mit verschiedenen Asteroiden in Verbindung gebracht werden.

„Aus diesem Wert ergibt sich, dass Phobos in seinem Inneren über eine sehr schwammartige Struktur verfügt, welche sich zu etwa 25 bis 45 Prozent aus Hohlräumen zusammensetzt“, so Dr. Rosenblatt vom Royal Observatory in Belgien. „Eine hohe Porösität des Mondinneren unterstützt allerdings die Theorie einer Bildung im Marsorbit.“ Demzufolge hätten sich zuerst größere Trümmerstücke zu einem losen Verbund zusammengeschlossen. Kleinere Trümmer hätten die dabei entstehenden Lücken anschließend nicht mehr komplett ausfüllen können.

Die Resultate der einzelnen Arbeiten führen nach Meinung der beteiligten Wissenschaftler zu dem Schluss, dass sich Phobos einstmals infolge eines gewaltigen Impaktereignisses gebildet hat. Demzufolge, so Jean Pierre Bibring vom französischen Institut für Astrophysik, hätte in der Vergangenheit ein gewaltiger Asteroid oder Protoplanet den noch jungen Mars getroffen. Durch die Wucht des Einschlags wurde Material von der Planetenoberfläche weggeschleudert und formte in der unmittelbaren Umgebung des Mars eine Akkretionsscheibe, welche sich sowohl aus dem Material der Impaktors als auch aus Teilen der oberen Marskruste zusammensetzte. Aus dieser Scheibe bildete sich anschließend im Rahmen eines für die Planetenentstehung normalen Prozesses der heutige Marsmond Phobos. Die verschiedenen Computermodelle der Wisschenschaftlergruppen zeigen, dass sich durch diesen Entstehungsprozess die jetzt gewonnenen Daten am besten erklären lassen.

Die vortragenden Wissenschaftler haben im Rahmen ihrer Erläuterungen aber auch darauf hingewiesen, dass ihre Ergebnisse nur vorläufiger Natur sind und durch weitere Messungen, neue Computermodelle oder ausführliche vergleichende Laboranalysen untermauert oder ergänzt werden müssen. Große Erwartungen werden in diesem Zusammenhang auch auf die zukünftige russische Marsmission Phobos-Grunt gerichtet. Diese soll im Oktober/November 2011 zum Phobos aufbrechen, dort landen und eine Bodenprobe entnehmen. Diese Probe von etwa 200 Gramm Phobosmaterial soll dann im Rahmen einer sogenannten „Sample Return“-Mission zur Erde befördert werden, im Jahr 2014 in Kasachstan landen und anschließend in einem Labor untersucht werden. Die Wissenschaftler hoffen, dass auf diese Weise die Entstehung des größeren Marsmondes endgültig geklärt werden kann.

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