Quelle: Klaus Tschira Stiftung gGmbH 20. Januar 2023.

Heidelberg, 20. Januar 2023. Neue astronomische Messungen im Infrarotbereich haben zur Identifizierung einer bislang unbekannten Klasse von Asteroiden geführt. Einem internationalen Forscherteam mit Beteiligung von Geowissenschaftlerinnen und Geowissenschaftlern der Universität Heidelberg ist es gelungen, diese Kleinplaneten mittels Infrarotspektroskopie näher zu charakterisieren. Sie befinden sich im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter und sind – ähnlich wie der Zwergplanet Ceres – wasserreich. Rechnerischen Modellierungen zufolge sind diese Asteroiden kurz nach ihrer Entstehung aus den äußeren Bereichen unseres Sonnensystems durch komplexe dynamische Prozesse in den heutigen Asteroidengürtel gelangt. Gefördert wurden die Forschungsarbeiten von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der Klaus Tschira Stiftung.

Der Zwergplanet Ceres ist mit einem Äquatordurchmesser von rund 900 Kilometern das größte Objekt im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter. In diesem Bereich kreisen viele weitere Kleinplaneten. „Es handelt es sich dabei um Reste des Baumaterials, aus dem vor viereinhalb Milliarden Jahren die Planeten in unserem Sonnensystem entstanden sind. In diesen kleinen Körpern und ihren Bruchstücken, den Meteoriten, finden wir viele Relikte, die direkte Hinweise auf den Prozess der Planetenbildung geben“, erläutert Mario Trieloff, Professor vom Institut für Geowissenschaften der Universität Heidelberg. Wie die aktuelle Studie zeigt, stammen die astronomischen Kleinkörper aus allen Regionen des frühen Sonnensystems. Insbesondere über Kleinkörper aus dem äußeren Sonnensystem könnte in Form von Asteroiden Wasser auf die noch im Wachstum befindliche Erde gelangt sein, denn die Bausteine der Planeten im inneren Sonnensystem waren eher wasserarm, so Trieloff, der die Forschungsgruppe Geo- und Kosmochemie leitet.

Die neuen Infrarotspektren wurden mit dem von der NASA betriebenen Teleskop für Infrarotastronomie am Mauna-Kea-Observatorium in Hawaii (USA) von Dr. Driss Takir aufgenommen. „Diese astronomischen Messungen erlauben es, Ceres-ähnliche Asteroiden bereits ab einem Durchmesser von 100 Kilometern zu identifizieren, die sich derzeit in einer begrenzten Region zwischen Mars und Jupiter in der Nähe der Umlaufbahn von Ceres befinden“, so Takir, Astrophysiker am NASA Johnson Space Center und Erstautor der Studie. Die Infrarotspektren lassen zugleich Rückschlüsse auf die chemisch-mineralogische Zusammensetzung zu. So befinden sich auf der Oberfläche der entdeckten Asteroiden ebenso wie bei Ceres selbst Minerale, die durch Wechselwirkung mit flüssigem Wasser entstanden sind. Die astronomischen Kleinkörper sind dabei sehr porös. Diese hohe Porosität ist eine weitere Gemeinsamkeit mit dem Zwergplaneten Ceres und ein Hinweis darauf, dass das Gesteinsmaterial noch sehr ursprünglich ist: „Es wurde kurz nach Bildung der Asteroiden nicht ausreichend aufgeheizt, um sich angesichts hoher Temperaturen in ein kompaktes Gesteinsgefüge umzuwandeln, sondern behielt seinen porösen und primitiven Charakter wie er typisch ist für die äußeren Eisplaneten in großer Sonnenentfernung“, erläutert Dr. Wladimir Neumann, Mitarbeiter im Team von Professor Trieloff. Er war für die Computermodellierung der thermischen Entwicklung der Kleinkörper zuständig.

Die Eigenschaften der Ceres-ähnlichen Objekte und ihr Vorkommen in einer relativ engen Zone im äußeren Asteroidengürtel lassen vermuten, dass diese Körper zunächst in einer kalten Region am Rand unseres Sonnensystems gebildet wurden. Gravitationsbedingte Störungen der Bahnen großer Planeten wie Jupiter und Saturn – die „giant planet instability“ – haben die Flugbahn dieser Asteroiden dann so verändert, dass die Objekte in den heutigen Asteroidengürtel „implantiert“ wurden. Dies zeigen numerische Berechnungen der Forschenden zu den Bahnentwicklungen im frühen Sonnensystem.

Die Forschungsergebnisse wurden in „Nature Astronomy“ veröffentlicht. An den Forschungsarbeiten waren Wissenschaftler aus Frankreich und den USA beteiligt. Gefördert wurden die Forschungsarbeiten von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der Klaus Tschira Stiftung.

Originalpublikation:
D. Takir, W. Neumann, S. N. Raymond, J. P. Emery, M. Trieloff: Late Accretion of Ceres-like Asteroids and Their Implantation into the Outer Main Belt, Nature Astronomy (20. Februar 2023),
https://www.nature.com/articles/s41550-023-01898-x

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Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena 22. September 2022.

22. September 2022 – Prof. Langenhorst hatte schon Staub des Asteroiden Itokawa, Materie von Marsmeteoriten und interstellaren Staub, den die NASA-Sonde „Stardust“ im Weltall einsammelte, unter seinem Mikroskop. Seine Expertise als Meteoritenforscher machte ihn zuletzt zum Mitglied eines ausgesuchten internationalen Forschungsteams bei der Mission der Weltraumsonde „Hayabusa-2“ zum Asteroiden Ryugu. Unterm Transmissions-Elektronen-Mikroskop untersuchte der Jenaer Forscher in den Bruchstücken vom steinernen Kleinplaneten Minerale, die in astronomischen Dimensionen sehr konkrete Aussagen zur „Geburtsstunde“ des Asteroiden zulassen. Was dabei wann und wo in unserem Sonnensystem passierte, davon berichtet das „Stone“-Team jetzt erstmals in einem Artikel in „Science“.

Asteroiden enthalten wichtige Informationen über den Beginn unseres Sonnensystems
Sie sind manchmal nur etwas größer als ein Auto, manchmal aber auch sind es Gesteinsbrocken von einem und mehr Kilometern Durchmesser, die auf festen Bahnen die Sonne umkreisen. Die Rede ist von Asteroiden oder Planetoiden, von denen Millionen in unserem Sonnensystem ihre Bahnen ziehen. 90 Prozent davon sind im sogenannten Asteroidengürtel zwischen den Planeten Jupiter und Mars unterwegs, einige jedoch kommen der Sonne und damit auch der Erde viel näher. Zu den sogenannten erdnahen Asteroiden gehört auch „Ryugu“, ein Gesteinsbrocken von rund einem Kilometer Durchmesser, der einem auf einer Ecke stehenden Pflasterstein ähnelt. Für seinen Flug um die Sonne in einer Entfernung von 0,96 bis 1,42 Astronomischen Einheiten braucht er 474,5 Tage und kreuzt dabei auch die Erdumlaufbahn. Das macht ihn zu einem besonders interessanten Forschungsobjekt für die Astrowissenschaft.

„Himmelskörper wie Asteroiden, beziehungsweise die von ihnen stammenden Meteoriten, sind so faszinierend, weil sie uns einzigartige Informationen über die Anfänge unseres Sonnensystems liefern“, sagt Langenhorst. Der Professor für Analytische Mineralogie der Mikro- und Nanostrukturen an der Universität Jena ist seit langem damit beschäftigt, Materie aus dem Weltall bis ins kleinste Detail zu analysieren, um die Prozesse bei der Entstehung und Formierung unseres Sonnensystems aufklären zu helfen.

Jenaer Expertise für Meteoriten und Asteroiden
Er war schon 2006 an der „Sternenstaub“- (Stardust)-Mission der NASA zu einem Kometen beteiligt. Langenhorsts Expertise als Astro-Mineraloge war auch gefragt bei der 2003 gestarteten ersten Mission einer japanischen Raumsonde zum Asteroiden Itokawa. Die Sonde wurde nach dem scharfsichtigen Wanderfalken „Hayabusa“ benannt. Der Jenaer gehörte zu dem internationalen Team, das den extraterrestrischen Staub von der Itokawa-Oberfläche untersuchte, den die Sonde 2010 zur Erde gebracht hatte. „Material in der Hand zu halten, das von einem Himmelskörper stammt, der seit Jahrmillionen seine Bahn im Weltall zieht, ist schon faszinierend“, gesteht Langenhorst. Diesen Staubkörnern ihr Geheimnis zu entlocken, treibe ihn immer wieder aufs Neue an.

Seine Mitwirkung im Forschungsteam der Hayabusa-2-Mission wurde nun wieder von den japanischen Kollegen angefragt. 2014 bestimmte die Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) den Asteroiden Ryugu als Ziel ihrer Hayabusa-2-Mission. Die Raumsonde erreichte nach mehrjährigem Flug den Kleinplaneten Ryugu und schickte 2018 nicht nur erstaunliche Fotos von dem Himmelskörper zur Erde, sondern brachte zwei Jahre später auch Gesteinsmaterial von dort mit zurück. „Während Hayabusa 1 aufgewirbelten Staub eingesammelt hatte, dessen größtes Korn etwa 0,3 Millimeter klein war, brachte die Sonde diesmal zahlreiche, mehrere Millimeter große Bruchstücke von Ryugu zur Erde“, erklärt Langenhorst. Seine Aufgabe war es, die Minerale in den Gesteinsbruchstücken von Ryugu zu identifizieren und die Verteilung der chemischen Elemente darin zu analysieren.

Asteroid Ryugu ist kein kompakter Felsbrocken, sondern ein Scherbenhaufen
„Dabei arbeitete ich mit einem Transmissions-Elektronen-Mikroskop, das mit einer Auflösung von unter einem Nanometer erstaunliche Details des Materials offenbarte“, erklärt er. „So haben wir festgestellt, dass Ryugu ein sogenannter ,Schutthaufen-Asteroid‘ ist, auf Englisch ,Rubble Pile‘. Das Gestein ist nicht kompakt, sondern besteht aus unzähligen, quasi zusammengebackenen Gesteinsscherben“, beschreibt Langenhorst seine Beobachtungen. Das lasse den Rückschluss zu, dass der heutige Asteroid Ryugu sich erst aus den Trümmern eines Einschlags auf einem ursprünglich deutlich größeren Ur-Asteroiden zusammengeballt hatte.

Die Kristallstruktur und Zusammensetzung der Minerale sind ein Archiv der Asteroiden-Kinderstube
Die Forscher fanden auch Belege dafür, dass die „Kinderstube“ von Ryugu nicht im zentrumsnahen Bereich unseres Sonnensystems gelegen hat, wo sich der Asteroid heute bewegt, sondern im äußeren Bereich des Sonnensystems. „Dort herrschen Temperaturen deutlich unter dem Gefrierpunkt, dabei kondensieren Wasser und andere leichte Moleküle wie Methan und Ammoniak zu Eisen und ballen sich mit Mineralstaub zu ´dreckigen Schneebällen´ zusammen, den Kometen. Da jedoch in der Frühphase des Sonnensystems auch kurzlebige radioaktive Elemente beteiligt waren, erwärmte sich Ryugu relativ schnell nach der Zusammenballung, sodass das Eis schmolz und Mineralreaktionen einsetzten“, erklärt Langenhorst. Denkbar sei, dass Ryugu also früher ein Komet war. Bei seiner Annäherung an die Sonne sei das Wasser gewissermaßen verdunstet und der feste Staub blieb übrig.

Wasser und organische Materie in den Asteroiden-Trümmern gefunden
Das Hayabusa-2-Team machte dazu neue Entdeckungen. Einer seiner Kollegen entdeckte in einem Staubkorn vom Asteroiden einen Wassereinschluss, der neben Kohlensäure und Salz auch organische Moleküle enthielt. Andere fanden ein tausendstel Millimeter kleine Kügelchen organischen Materials im außerirdischen Gestein.

Vergleichbares kannte man aus Untersuchungen an einem Meteoriten namens Ivuna, der 1938 in Tansania gefunden wurde, und der in die Gruppe der kohligen Chondrite gehört. „Ivuna ist unserem Ryugu zum Verwechseln ähnlich“, berichtet er. Die kohligen Chondrite, so erklärt der Wissenschaftler, seien die ältesten Gesteine unseres Sonnensystems. „Als Urmaterie geben sie am besten die Zusammensetzung unseres Sonnensystems wieder.“

Die neuen Erkenntnisse über Evolution und Diversität der Minerale und anderen Bestandteile der Ryugu-Bodenproben versetzen die Forscher jetzt in die Lage, Aussagen über die Zeit zu treffen, in der der Asteroid entstand und sich entwickelte. „Wir vermuten, dass Ryugu von einem älteren großen Asteroiden abstammt. Dieser Ur-Asteroid bildete sich innerhalb von nur zwei Millionen Jahren nach der Geburt des Sonnensystems in dessen äußerem Bereich, wo Wasser und andere Moleküle als Eis vorhanden waren. Unter radioaktiver Erwärmung schmolz das Eis, wobei sich in diesem Prozess der aquatischen Alteration neue Minerale wie Schichtsilikate, Carbonate und Eisenoxide im Ur-Asteroiden kristallisierten. All diese Prozesse waren nach nur etwa fünf Millionen Jahren beendet. Danach kam es zu der kosmischen Kollision, bei der Teile des Ur-Asteroiden abgesprengt wurden, aus denen sich der neue Asteroid Ryugu formte“, fasst Langenhorst die Ergebnisse des Forschungsteams zusammen.

„Auch wenn wir Prozesse aus der Frühzeit unseres Sonnensystems immer besser aufklären, so ist es wohl unwahrscheinlich, die Rätsel um den Beginn unseres Sonnensystems je vollständig lösen zu können“, räumt er ein. Dass er aktuell an weiteren astro-mineralogischen Themen arbeitet, zeigt jedoch, dass man sich da nicht ganz sicher sein sollte.

Original publication
Nakamura et al., „Formation and evolution of carbonaceous asteroid Ryugu: Direct evidence from return samples“, Science (2022), DOI: https://doi.org/10.1126/science.abn8671,
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn8671.

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