Quelle: NASA / Jessica Taveau, 7. April 2026

Die NASA-Astronauten Reid Wiseman, Victor Glover, Christina Koch und der Astronaut der CSA Jeremy Hansen haben mit einer ganzen Reihe von Kameras Tausende von Fotos aufgenommen. Die Behörde hat bereits mehrere Bilder veröffentlicht; weitere werden in den kommenden Tagen erwartet, da die Besatzungsmitglieder bereits mehr als die Hälfte ihrer Reise hinter sich haben und nun auf dem Heimweg zur Erde sind.

„Unsere vier Artemis-II-Astronauten – Reid, Victor, Christina und Jeremy – haben die Menschheit auf eine unglaubliche Reise um den Mond mitgenommen und Bilder mitgebracht, die so exquisit und voller wissenschaftlicher Erkenntnisse sind, dass sie kommende Generationen inspirieren werden“, sagte Dr. Nicky Fox, stellvertretende Administratorin der Direktion für Wissenschaftsmissionen im NASA-Hauptquartier in Washington.

Während des Mondvorbeiflugs dokumentierte die Besatzung Einschlagkrater, uralte Lavaströme und Oberflächenrisse, die Wissenschaftlern dabei helfen werden, die geologische Entwicklung des Mondes zu erforschen. Sie beobachteten Unterschiede in Farbe, Helligkeit und Beschaffenheit des Geländes, verfolgten den Untergang und den Aufgang der Erde und hielten Aufnahmen der Sonnenkorona während einer Sonnenfinsternis fest. Die Besatzung meldete zudem sechs Blitze von Meteoriteneinschlägen auf der dunklen Mondoberfläche.

Wissenschaftler analysieren bereits die heruntergeladenen Bilder, Audioaufnahmen und Daten, um den zeitlichen Ablauf und die Orte dieser Ereignisse genauer zu bestimmen und sie mit den Beobachtungen von Amateurastronomen abzugleichen. Das neue Bildmaterial wird der NASA zudem helfen, die Geologie des Mondes besser zu verstehen und als Grundlage für künftige Erkundungs- und Wissenschaftsmissionen zu dienen, die den Weg für eine dauerhafte Präsenz auf dem Mond ebnen sollen – noch vor künftigen Astronautenmissionen zum Mars.

„Es war beeindruckend, der Besatzung zuzuhören, wie sie die atemberaubenden Ausblicke während des Vorbeiflugs beschrieb“, sagte Jacob Bleacher, Chefwissenschaftler für Exploration bei der NASA am Hauptsitz der Behörde. „Zunächst stimmten ihre Beschreibungen nicht ganz mit dem überein, was wir auf unseren Bildschirmen sahen. Jetzt, da hochauflösendere Bilder eintreffen, können wir endlich die Momente erleben, die sie uns vermitteln wollten, und den wissenschaftlichen Gewinn, den diese Bilder und unsere weiteren Forschungen im Rahmen dieser Mission bieten, wirklich würdigen.“

Die NASA plant die Rückkehr von Artemis II vor der Küste von San Diego für Samstag, den 11. April, um 02:07 Uhr MESZ. Die Live-Berichterstattung auf NASA+ beginnt um 00:30 Uhr MESZ und dauert so lange, bis Mitarbeiter der NASA und des Verteidigungsministeriums die Besatzung sicher aus dem Raumschiff Orion „Integrity“ auf die USS John P. Murtha gebracht haben.

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• Artemis II – Orion (Integrity) auf SLS

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 5. September 2024.

5. September 2024 – Der Zwergplanet Ceres könnte seinen Ursprung im Asteroidengürtel haben – und muss nicht zwingend dorthin vom Rand des Sonnensystems „zugewandert“ sein. Darauf deuten helle, ammoniumreiche Ablagerungen im Consus Krater hin, wie ein Forscherteam unter Leitung des Göttinger Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) heute in der Fachzeitschrift Journal of Geophysical Research Planets argumentiert. Die Forschenden haben Messdaten der NASA-Raumsonde Dawn ausgewertet. Dawn hatte schon vor Jahren auf der Ceres-Oberfläche weit verbreitete Ammoniumvorkommen entdeckt. Dies lege nach Meinung einiger Wissenschaftler*innen nahe, dass gefrorenes Ammonium bei der Entstehung des Zwergplaneten eine Rolle gespielt hat. Ammonium ist nur im äußeren Sonnensystem stabil. Die neue Studie findet eine weitere Möglichkeit: Wie auch andere helle Ablagerungen auf Ceres könnte das ammoniumreiche Material im Consus Krater durch Ceres‘ kuriosen Kryovulkanismus aus der Tiefe des Zwergplaneten an die Oberfläche gelangt sein.

Der Zwergplanet Ceres ist ein außergewöhnlicher „Bewohner“ des Asteroidengürtels. Mit einem Durchmesser von etwa 960 Kilometern ist er nicht nur der größte Körper zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter; er zeichnet sich auch – anderes als seine eher schlichten „Mitbewohner“ – durch eine äußerst komplexe und vielseitige Geologie aus. Dies weist auf eine bewegte Vergangenheit hin, in der sich Ceres über viele Milliarden Jahre veränderte und weiterentwickelte. Daten der NASA-Raumsonde Dawn, die Ceres von 2015 bis 2018 aus der Nähe untersucht hat, haben unter anderem Hinweise darauf geliefert, dass Ceres bis in jüngste Vergangenheit Schauplatz eines einzigartigen Kryovulkanismus war – und wahrscheinlich noch immer ist. In mehreren Einschlagskratern finden sich helle, weißliche Salzablagerungen. Forschende halten sie für Überbleibsel einer Sole, die über viele Milliarden Jahre aus einer flüssigen Schicht zwischen Mantel und Kruste an die Oberfläche gedrungen ist. Auch in Aufnahmen und Messdaten vom Consus Krater, die das Forscherteam nun so detailliert wie nie zuvor ausgewertet hat, zeigt sich solch helles Material, allerdings zum Teil in gelblicherer Färbung.

Ein Krater im Krater
Der Conus-Krater liegt auf der Südhalbkugel des Zwergplaneten Ceres. Mit einem Durchmesser von etwa 64 Kilometern zählt er nicht zu den besonders großen Einschlagkratern. In Aufnahmen des wissenschaftlichen Kamerasystems von Dawn, das unter Leitung des MPS entwickelt und gebaut wurde, zeigt sich eine umlaufende Kraterwand, die etwa 4,5 Kilometer vom Kraterboden in die Höhe ragt und zum Teil nach innen abgerutscht ist. Als auffälligste Struktur umschließt sie einen kleineren Krater, der mit einer Fläche von etwa 15 Kilometern mal elf Kilometern die östliche Hälfte des Consus Kraterbodens dominiert. Das gelbliche, helle Material findet sich in vereinzelten Sprenkeln ausschließlich am Rand des kleineren Kraters und in einem Bereich etwas östlich davon.

Wie die aktuellen Auswertungen von Daten des Kamerasystems und des Spektrometers VIR nahelegen, ist das gelbliche helle Material im Consus-Krater reich an Ammonium. Die Verbindung, die sich von Ammoniak durch eine zusätzliches Wasserstoff-Ion unterscheidet, ist in Form ammoniumreicher Gesteine in Spuren auf der Ceres-Oberfläche beinahe allgegenwärtig. In der Vergangenheit glaubten Wissenschaftler*innen, dass dieses Gestein nur durch Kontakt mit Ammonium-Eis in der Kälte am äußeren Rand des Sonnensystems entstanden sein könne. Nur dort ist gefrorenes Ammonium über längere Zeiträume stabil; in größerer Nähe zur Sonne verdunstet es rasch. Ceres müsse deshalb am Rand des Sonnensystems entstanden und erst später in den Asteroidengürtel „umgesiedelt“ sein. Die aktuelle Studie zeigt nun erstmals eine Verbindung auf zwischen Ammonium und der salzhaltigen Sole aus dem Inneren der Ceres. Der Ursprung des Zwergplaneten, so argumentiert das Team, müsse deshalb nicht zwingend im äußeren Sonnensystem liegen. Ceres könnte auch ein echtes Kind des Asteroidengürtels sein.

Ammonium aus der Tiefe
Die Forschenden gehen davon aus, dass die Bausteine von Ammonium bereits im ursprünglichen Baumaterial der Ceres enthalten waren. Da Ammonium sich nicht mit den typischen Mineralien im Ceres‘ Mantel verbindet, reicherte es sich nach und nach in einer mächtigen Soleschicht an, die sich global zwischen Mantel und Kruste des Zwergplaneten erstreckte. Durch kryovulkanische Aktivität stieg die ammoniumreiche Sole im Laufe der Jahrmilliarden immer wieder auf und das darin enthaltene Ammonium wechselte nach und nach den „Wirt“: Es drang in die großräumig vorhandenen Schichtsilikate der Ceres-Kruste ein. Schichtsilikate, die sich durch eine lagenartige Kristallstruktur auszeichnen, sind auch auf der Erde etwa in tonhaltigen Böden weitverbreitet. In Kontakt mit einer ammoniumreichen Sole lagern sich bevorzugt Ammonium-Ionen an. „Das Gestein könnte das Ammonium über viele Milliarden Jahre wie eine Art Schwamm aufgenommen haben“, erklärt MPS-Wissenschaftler Dr. Andreas Nathues, Erstautor der aktuellen Studie und früherer Leiter des Kamerateams von Dawn.

Vieles spricht dafür, dass die Konzentration des Ammoniums in tieferliegenden Schichten der Kruste größer ist als nahe der Oberfläche. Die wenigen Stellen auf der Ceres-Oberfläche, an denen sich außerhalb des Consus Kraters auffällige Flecken des gelblich-hellen Materials finden, liegen ebenfalls innerhalb tiefer Krater. Im Consus Krater dürfte – wie die aktuelle Studie detailliert zeigt – der Einschlag, der vor nur 280 Millionen Jahren den kleinen östlichen Krater schuf, Material aus den tiefliegenden, besonders ammoniumhaltigen Schichten freigelegt haben. Bei den gelblich-hellen Sprenkeln östlich des kleineren Kraters handelt es sich um Material, das der Einschlag aus großer Tiefe herausgeschleudert hat.

„Mit seinen 450 Millionen Jahren ist der Consus Krater nach geologischen Maßstäben nicht besonders alt, allerdings ist er einer der ältesten noch erhaltenen Strukturen auf Ceres. Durch seinen tiefen Aushub verschafft er uns Zugang zu Prozessen, die sich über viele Milliarden Jahre im Innern der Ceres abgespielt haben – und ist so eine Art Fenster in die Vergangenheit des Zwergplaneten“, so MPS-Forscher Dr. Ranjan Sarkar, ein Co-Autor der Studie.

Originalveröffentlichung
Andreas Nathues et al.:
Consus Crater on Ceres: ammonium-enriched brines in exchange with phyllosilicates?,
Journal of Geophysical Research: Planets, 5. September 2024
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023JE008150

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• Zwergplanet Ceres

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Quelle: ETH Zürich 28. Juni 2024.

28. Juni 2024 – Einem internationalen Team von Forschenden unter gemeinsamer Leitung der ETH Zürich und des Imperial College London ist anhand von seismischen Daten erstmals eine Schätzung der globalen Meteoriteneinschläge auf dem Mars gelungen. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass jedes Jahr zwischen 280 und 360 Meteoriten auf dem Planeten einschlagen und zur Bildung von Kratern mit einem Durchmesser von über 8 Metern führen. Géraldine Zenhäusern von der ETH Zürich, eine der Leiterinnen der Studie, kommentiert: «Die ermittelte Rate ist etwa fünfmal höher als die Zahl der Einschläge, die allein anhand von bildgebenden Verfahren geschätzt wurde. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Seismologie in Kombination mit der Analyse von Weltraumbildern ein hervorragendes Instrument zur Messung der Einschlagsraten ist.»

Seismisches «Pfeifen» als Hinweis auf neue Erdbebenart
Ermöglicht wurde dies durch die Aufzeichnung eines kurzen Pfeifens, das Meteoriten bei ihrem Eintritt in die Marsatmosphäre verursachen. Die Forschenden werteten Daten des Seismometers aus, das von der InSight-Mission der NASA eingesetzt wurde. Sie stellten fest, dass sechs seismische Ereignisse, die in der Nähe der Sonde aufgezeichnet wurden, zuvor als Meteoriteneinschläge identifiziert worden waren (Garcia et al., 2023). Zenhäusern von der ETH Zürich, ihre Co-Leiterin Natalia Wójcicka vom Imperial College London und das Forschungsteam fanden nun heraus, dass diese sechs seismischen Ereignisse Teil einer viel grösseren Gruppe von Marsbeben waren, die als Ereignisse mit sehr hoher Frequenz (very high frequency, VF) bezeichnet werden. Solche Beben entstehen mit viel grösserer Geschwindigkeit als tektonische Marsbeben vergleichbarer Stärke. So braucht es für ein normales Beben der Stärke 3 auf dem Mars mehrere Sekunden, bei einem durch einen Hochgeschwindigkeitseinschlag verursachten Ereignis derselben Stärke jedoch nur 0,2 Sekunden oder weniger. Durch die Analyse der Spektren von Marsbeben wurden weitere 80 Beben identifiziert, als deren Ursache nun Einschläge von Meteoroiden angenommen werden.

Seismischen Daten leiten erstmals Einschlagsrate von Meteoriten her
Jedes Jahr fallen rund 17 000 Meteoriten auf die Erde. Solange ihr Schweif nicht am Nachthimmel zu sehen ist, werden sie nur selten bemerkt. Die meisten Meteore zerfallen, wenn sie in die Erdatmosphäre eintreten. Auf dem Mars ist die Atmosphäre jedoch hundertmal dünner. Dadurch ist die Oberfläche des Planeten grösseren und häufigeren Meteoriteneinschlägen ausgesetzt.

Bisher verliessen sich Planetenforschende auf Weltraumbilder und Modelle, die aus gut erhaltenen, durch Meteoriteneinschläge verursachten Kratern auf dem Mond abgeleitet wurden. Diese Schätzungen konnten aber nicht ohne Weiteres auf den Mars übertragen werden. So müssen Forschende die stärkere Anziehungskraft des Mars und die Nähe des Roten Planeten zum Asteroidengürtel berücksichtigen. Beide Faktoren führen dazu, dass mehr Meteoriten auf dem Mars einschlagen. Aufgrund regelmässiger Sandstürme sind die Krater auf dem Planeten zudem weniger gut erhalten als auf dem Mond und können daher durch Weltraumbilder nicht so leicht entdeckt werden. Beim Einschlag eines Meteoriten auf dem Mars breiten sich die durch die Kollision verursachten seismischen Wellen durch die Kruste und den Mantel aus und können von Seismometern aufgezeichnet werden. Dadurch bietet sich eine vollkommen neue Möglichkeit, die Einschlagsrate auf dem Mars zu messen.

Wójcicka erklärt: «Wir haben die Durchmesser der Krater anhand der Stärke und Entfernung der Hochfrequenz-Marsbeben geschätzt. Anhand dieser Schätzungen haben wir dann berechnet, wie viele Krater sich im Laufe eines Jahres um die InSight-Sonde gebildet hatten. Diese Daten haben wir extrapoliert, um die Anzahl der jährlichen Einschläge auf der gesamten Marsoberfläche zu schätzen.»

Zenhäusern fügt hinzu: «Neue Krater sind auf flachem, staubigem Gelände am besten zu sehen, denn dort fallen sie besonders auf. Allerdings ist diese Art von Gelände nur auf weniger als der Hälfte der Marsoberfläche zu finden. Das empfindliche Seismometer der InSight-Mission konnte jedoch jeden einzelnen Einschlag innerhalb der Reichweite der Sonde aufzeichnen.»

Erkenntnisse über das Alter des Roten Planeten und zukünftige Mars-Missionen
Ähnlich wie Linien und Falten in einem Gesicht geben Grösse und Dichte der durch Meteoriteneinschläge entstandenen Krater Aufschluss über das Alter verschiedener Regionen eines Planeten. Das heisst: Je weniger Krater, desto jünger ist die betreffende Region. So weist Venus zum Beispiel fast keine sichtbaren Krater auf, weil der Planet durch eine dicke Atmosphäre geschützt ist und seine Oberfläche durch Vulkanismus laufend neu gebildet wird. Die uralten Oberflächen des Planeten Merkur und des Mondes sind hingegen von Kratern übersät. Der Planet Mars liegt irgendwo dazwischen, denn dort gibt es einige junge und einige alte Regionen, die sich anhand der Zahl der Krater unterscheiden lassen.

Aus den neuen Daten geht hervor, dass auf der Oberfläche des Mars fast jeden Tag ein neuer Krater von 8 Metern Durchmesser entsteht, ein Krater mit 30 Metern Durchmesser etwa einmal im Monat. Da durch Hochgeschwindigkeitseinschläge Explosionszonen entstehen, deren Durchmesser oft mindestens hundertmal so gross ist wie der Krater, ist es für die Sicherheit von Missionen – jetzt noch mit Robotern, künftig auch mit Menschen – wichtig, die genaue Zahl der Einschläge zu kennen.

«Diese Arbeit ermittelt als erste ihrer Art anhand von seismologischen Daten, wie häufig Meteoriten auf der Oberfläche des Mars einschlagen, was eines der Ziele der ersten Stufe der Mars-Mission InSight war», kommentiert Domenico Giardini, Professor für Seismologie und Geodynamik an der ETH Zürich und Co-Principal Investigator der InSight-Mission der Nasa . «Diese Daten werden in die Planung zukünftiger Missionen zum Mars einfliessen.»

Um diese Forschungen voranzutreiben, ist nach Auskunft von Zenhäusern und Wójcicka geplant, bei den nächsten Schritten Technologien des maschinellen Lernens einzusetzen. Sie sollen die Forschenden dabei unterstützen, weitere Krater auf Satellitenbildern sowie seismische Ereignisse in den Daten zu identifizieren.

Originalpublikation:
Zenhäusern, G, Wójcicka, N, Stähler, SC, Collins, GS, Daubar, IJ, Knapmeyer, M, Ceylan, S, Clinton, JF, Giardini, D: An estimate of the impact rate on Mars from statistics of very-high-frequency marsquakes. Nature Astronomy, 2024, doi.org/10.1038/s41550-024-02301-z
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02301-z
pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-024-02301-z.pdf

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• InSight auf Atlas V 401

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Am 9. März 1979 blickte die Astronomin Linda Morabito-Kelly auf eine Aufnahme der Raumsonde Voyager 1 und traute ihren Augen nicht. Erst vier Tage zuvor war die NASA-Mission auf ihrer großen Tour durchs Planetensystem am Jupiter und seinen Monden vorbeigeflogen und hatte dabei nicht nur den Gasriesen, sondern auch seine Monde fotografiert. Als Voyager ein paar letzte Bilder aus der Ferne machte, erschien nun über dem Mond Io eine gewaltige schirmförmige Wolke.
Der Vulkanausbruch auf Io gilt bis heute als eine der überraschendsten Entdeckungen der Raumfahrtgeschichte. Sie hat gezeigt, dass der jupiternächste Mond keine lange erkaltete und verkraterte Welt ist, wie etwa der Mond der Erde. Io ist stattdessen eine Vulkan-Wunderwelt: Auf seiner Oberfläche brodeln über 250 Vulkane. Es gibt mehrere Lavaseen, von denen der größe 180 Kilometer misst. Und Aschewolken können schon mal ein Drittel seines Durchmesser überspannen.
Karl erzählt in dieser Podcastfolge, was seit 1979 über Io in Erfahrung gebracht wurde – und warum das für Planetenforscherinnen und -forscher heute immer interessanter wird: Denn die vulkanische Aktivität auf Io kann auch etwas über ferne Exoplaneten verraten und genauso über die frühe und vulkanisch aktive Geschichte der Erde und anderer unserer planetaren Nachbarn.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist ein Podcast der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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• AstroGeo Podcast
• Jupitermonde

Der Beitrag AstroGeo Podcast: Vulkan-Wunderwelt – wieso brodelt Jupiters Mond Io? erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Staatliche Naturwissenschaftliche Sammlungen Bayerns 25. September 2023.

25. September 2023 – Die Teilnehmer:innen des ESA-PANGAEA-Astronautentrainings profitieren seit Jahren von den herausragenden Bedingungen und der fachlichen Kompetenz vor Ort. Das 5-tägige Trainingsprogramm im Ries beinhaltet einen Mix aus Vorlesungen und Übungen zur Vermittlung der Grundlagen der Geologie und der feldgeologischen Arbeitsweise in Impaktkratern, zu Themen rund um den Erdmond und die Astrobiologie. Wichtige Lernorte waren vom 17. bis 21. September 2023 das RiesKraterMuseum, eines von fünf SNSB-Regionalmuseen in Bayern, und das ZERIN mit seiner Sammlung aus Bohrkernen des Rieskraters sowie dem Isotopenlabor. Museumsleiter Prof. Dr. Stefan Hölzl begleitete die Astronaut:innen im Rahmen von insgesamt sechs Exkursionen zu aufschlussreichen Punkten im Ries sowie seinem Nachbarkrater, dem Steinheimer Becken. Im Gelände wurde Gelerntes praktisch geübt, vertieft und erweitert. Das PANGAEA-Astronautentraining der Europäischen Weltraumorganisation ESA findet auch in diesem Jahr neben dem Nördlinger Ries in den italienischen Dolomiten sowie auf der Kanareninsel Lanzarote statt.

In diesem Jahr nahmen drei Astronaut:innen an der geologischen Schulungswoche im Nördlinger Ries teil:
Der erfahrene ESA-Astronaut Thomas Pesquet, der im Rahmen zweier ISS-Expeditionen 2016/2017 und 2021 bereits längere Zeit im Weltraum verbracht hat. Der Franzose hält zwei europäische Rekorde: Einen über den längsten Aufenthalt eines Menschen im Weltraum (396 Tage und 11 Stunden), einen zweiten – mit 39 Stunden und 54 Minuten – für den längsten Außeneinsatz außerhalb der Raumstation. Pesquet ist zudem der erste ESA-Astronaut, der mit dem Raumschiff „Dragon“ des amerikanischen Unternehmens SpaceX zur ISS flog.

Ebenfalls im Nördlinger Ries dabei war Takuya Onishi, Astronaut der japanischen Weltraumagentur JAXA, der 2016 insgesamt 115 Tage auf der ISS verbrachte.
Dritte im Bunde war Jessica Wittner, eine Kampf- und Testpilotin der US-Navy, die 2021 unter 12.000 Bewerber:innen für die Astronautenausbildung der NASA ausgewählt wurde.

„Das Nördlinger Ries mit dem RiesKraterMuseum und dem ZERIN ist bis heute, mehr als 50 Jahre nach dem Training zweier Apollo-Teams der NASA vor ihrem Flug zum Mond, hochgeschätzter und etablierter Trainingsort für Astronaut:innen aus aller Welt“, freut sich Museumsleiter Prof. Dr. Stefan Hölzl auch in diesem Jahr wieder über seinen „Weltraumbesuch“.

Das Nördlinger Ries entstand vor etwa 15 Millionen Jahren bei der Kollision eines ca. 1 km großen Asteroiden mit der Erde. Glücksfall für die Geolog:innen: Der ca. 25 Kilometer große Krater war für die längste Zeit seiner Geschichte mit Ablagerungen des dort gebildeten Ries-Sees bedeckt. Deshalb und wegen seines in geologischen Dimensionen „jungen“ Alters gilt er heute als der am besten erhaltene komplexe Krater unter den insgesamt ca. 200 Impaktkratern dieser Erde. Das Nördlinger Ries ist daher ein einzigartiger Ort für Forschung und Lehre.

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• ESA

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Unser kosmischer Vorgarten besteht aus Himmelskörpern, die kaum unterschiedlicher sein könnten: Da sind verschieden große Planeten und ihre Monde, von denen manche brav auf regulären und andere auf äußerst verschrobenen Bahnen kreisen. Da sind auch Asteroiden, die in Gürteln oder auf kräftefreien Punkten der Planetenbahnen herumlungern.

Karl erzählt in dieser Folge davon, wie Planeten, Monde, Asteroiden, Kometen und sonstiger planetarer Schutt an ihren heutigen Platz gekommen sind. Es geht um das Nizza-Modell, eine Simulation des Planetensystems vor rund 3,9 Milliarden Jahren, als die großen Gasplaneten sich gegenseitig in die Quere kamen und wahrscheinlich eine gewaltige Katastrophe auslösten. Dabei wurde das Planetensystem einmal durchgerührt und es entstanden gewaltige Einschlagskrater. Möglicherweise tauschten sogar einzelne Planeten ihre Plätze.

Am Ende sah es völlig anders aus als zuvor – unser kosmischer Vorgarten hatte seine heutige Form angenommen. Obwohl es einige Zweifel gibt – bis heute passt das Nizza-Modell recht gut zu unserem Sonnensystem.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban alle regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

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• AstroGeo Podcast

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Quelle: Universität Bern 30. November 2022.

30. November 2022 – Die Datierung der Oberflächen von Himmelskörpern erfolgt durch das Zählen der Größe und Häufigkeit von Kratern. Diese Altersschätzungen können sehr ungenau sein, da man nicht weiß, wie das Material der Oberfläche eines Asteroiden auf einen Einschlag von einem anderen Himmelskörper reagiert. Um die Geschichte des Asteroiden Ryugu zu erforschen, wurde die Raumsonde Hayabusa 2 entwickelt, die auch Proben gesammelt und sie zur Laboranalyse zur Erde zurückgebracht hat.

Beteiligt am Projekt sind Dr. Martin Jutzi und Dr. Sabina Raducan, beide vom Physikalischen Institut der Universität Bern, Abteilung für Weltraumforschung und Planetologie (WP) und Mitglieder beim Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS) PlanetS. In einer Studie, die soeben in Nature Communications erschienen ist, präsentiert das Team unter ihrer Leitung neue Erkenntnisse zur Entstehung und Entwicklung von Asteroiden.

Kraterbildungsgesetze helfen bei der Datierung von Asteroiden
Zur Erkundung der Asteroideneigenschaften wurde im Rahmen der Weltraummission Hayabusa 2 ein Small Carry-on Impactor auf die Oberfläche des Asteroiden Ryugu geschossen. «Der durch den Einschlag erzeugte Krater erwies sich als viel grösser als erwartet. Wir haben also versucht, das Ergebnis des Einschlags auf Ryugu anhand von Simulationen zu reproduzieren, um herauszufinden, welche Eigenschaften das Material auf der Oberfläche des Asteroiden haben muss», erklärt Martin Jutzi.

Die Beschaffenheit und die Größe eines Einschlagkraters auf einem Asteroiden werden durch verschiedene Faktoren beeinflusst. Zum einen durch die spezifischen Eigenschaften des Projektils, zum anderen durch die Eigenschaften des Asteroiden, beispielsweise dessen Festigkeit oder Schwerkraft. «Die Größe und Beschaffenheit des Kraters, der aus dem Einschlag resultiert, kann eine direkte Diagnose der Materialeigenschaften und der oberflächennahen Struktur des Asteroiden liefern», sagt Jutzi. Die Untersuchung des Kraterbildungsprozesses habe daher wichtige Auswirkungen auf das Verständnis der geologischen und geophysikalischen Entwicklung von Asteroiden.

«Wie Kraterbildung bei niedriger Schwerkraft funktioniert, blieb bisher weitgehend unerforscht. Das liegt daran, dass diese Einschlagsbedingungen in Laborexperimenten auf der Erde nicht nachgebildet werden können», sagt Sabina Raducan, die das Projekt gemeinsam mit Martin Jutzi leitet. Die Forschenden zeigen, dass der Asteroid wahrscheinlich eine sehr lockere innere Struktur hat und nur durch sehr kleine Kohäsionskräfte und Gravitationswechselwirkungen zusammengehalten wird. «Geht man von diesen Bedingungen aus, sind wir in der Lage, mit unseren numerischen Simulationen das Ergebnis des Einschlags auf Ryugu zu reproduzieren», so Raducan.

Die aus den Ergebnissen abgeleiteten Beziehungen zwischen den Projektil-Eigenschaften und Kratergröße deuten darauf hin, dass die Oberflächen kleiner Asteroiden sehr jung sein müssen. «Unsere Ergebnisse zeigen zudem, dass eine geringe Kohäsion die Kraterbildung stark beeinflussen kann. Auf Ryugu gibt es verschiedene geologische Oberflächeneinheiten, die ein unterschiedliches Alter haben. Dies könnte auf den Einfluss der Kohäsion zurückzuführen sein», ergänzt Jutzi.

Wichtige Erkenntnisse für DART
Die Arbeit von Jutzi und Raducan ist auch wichtig für die NASA-Mission «Double Asteroid Redirection Test» (DART), an der die beiden ebenfalls beteiligt sind. DART ist der weltweit erste vollumfängliche Test zur planetarischen Verteidigung gegen mögliche Asteroideneinschläge auf der Erde. Im Rahmen der DART-Mission ist am 27. September 2022 eine Weltraumsonde mit dem Asteroiden Dimorphos kollidiert, um diesen von seiner Umlaufbahn abzulenken. «Die Erkenntnisse der Simulationen zum Einschlag auf Ryugu hilft auch bei der Analyse der Resultate der DART Mission weiter» erklärt Jutzi. «Wir sind daran, die neue entwickelten Modelle auf DART anzuwenden, um damit Erkenntnisse über die Eigenschaften von Dimorphos zu gewinnen. Unsere ersten Simulationen sehen sehr vielversprechend aus» ergänzt Raducan.

Publikation:
Martin Jutzi, Sabina D. Raducan, Yun Zhang, Patrick Michel, and Masahiko Arakawa: Constraining surface properties of asteroid (162173) Ryugu from numerical simulations of Hayabusa2 mission impact experiment, Nature Communications, November 2022 DOI: s41467-022-34540-x, https://www.nature.com/articles/s41467-022-34540-x.

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• HAYABUSA-2 zu Asteroid (162173) Ryugu auf H-IIA

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Quelle: WWU.

29. Oktober 2021 – Einschläge von Asteroiden haben zahlreiche Krater auf der Mondoberfläche hinterlassen. Altersbestimmungen an Mondgesteinen deuten darauf hin, dass die meisten dieser Einschläge vor etwa 3,9 Milliarden Jahren beziehungsweise etwa 500 Millionen Jahren nach Entstehung des Erdtrabanten stattgefunden haben. Diese Beobachtungen haben zu der sogenannten Theorie des „späten schweren Bombardements“ des Mondes (oder LHB für „Late Heavy Bombardment“) geführt; der Begriff spät bezeichnet in diesem Zusammenhang eine längere Zeitspanne nach Bildung des Mondes.

Aber was war der Ursprung dieses späten Bombardements, und woher kamen die Asteroiden, die auf dem Mond eingeschlagen sind? Unter den Wissenschaftlern kursieren zwei Theorien. So könnten diese Körper das übriggebliebene Material aus der Hauptphase der Erdentstehung darstellen, die mit kontinuierlich abnehmender Häufigkeit auf dem Mond eingeschlagen sind. Eine andere Hypothese besagt, dass es vor etwa 3,9 Milliarden Jahren durch Instabilitäten in den Umlaufbahnen der Gas- und Eisriesen zu einem plötzlichen starken Anstieg von Einschlägen von Asteroiden und Kometen aus dem äußeren Sonnensystem gekommen ist. Planetologen der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster haben diese Hypothesen mit sehr genauen Isotopenmessungen an Mondgesteinen überprüft.

Ihr Ergebnis und Fazit: Es gab keine plötzliche Erhöhung der Einschlagsrate. Das Bombardement des Mondes geht demnach auf kontinuierliche Einschläge von Asteroiden zurück, die aus der Hauptphase der Erd-Entstehung übriggeblieben sind. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Science Advances“ veröffentlicht.

Zum Studienhintergrund
Die münsterschen Wissenschaftler vom Institut für Planetologie untersuchten Mondgesteine, die während des Bombardements vor 3,9 Milliarden Jahren entstanden sind. Diese Gesteine enthalten winzige Metallkügelchen, die von den Asteroiden stammen. Durch die Untersuchung der Isotopen-Zusammensetzung dieser Metallkügelchen können die Forscher bestimmen, woher aus dem Sonnensystem diese Asteroiden stammen. Dabei zeigen vor allem die Elemente Ruthenium und Molybdän systematische Veränderungen in ihrer Isotopenzusammensetzung, abhängig vom Bildungsort im Sonnensystem. „Unsere Untersuchungen zeigen, dass das Bombardement des Mondes durch die gleichen Körper erfolgte, aus denen auch schon die Erde und der Mond entstanden sind“, erklärt die Planetologin und Erstautorin der Studie, Dr. Emily Worsham.

Die Einschlagskrater auf dem Mond gehen demnach auf ein kontinuierliches Bombardement mit übriggebliebenen Asteroiden aus der Hauptphase der Erd-Entstehung zurück. Damit können die Wissenschaftler auch einen plötzlichen Anstieg der Einschlagsrate durch das Bombardement mit Körpern aus dem äußeren Sonnensystem ausschließen. Aber woher kommt die Häufung der Alter von 3,9 Milliarden Jahren? „Es wurde schon früher vermutet, dass die bisher untersuchten Mondgesteine überwiegend aus Material von einem einzigen Einschlagsbecken bestehen – dem Mare Imbrium in der nördlichen Mitte der erdzugewandten Seite des Mondes“, erklärt Emily Worsham.

Aus theoretischen Berechnungen ist bekannt, dass sich die Umlaufbahnen der Gas- und Eisriesen irgendwann in der Frühgeschichte des Sonnensystems verändert haben und dabei eine Vielzahl an Körpern aus dem äußeren Sonnensystem nach innen gestreut wurden, die unter anderem mit der Erde und dem Mond kollidierten. „Dieses Ereignis muss früher als bisher angenommen stattgefunden haben, da wir in den Mondgesteinen keine Hinweise auf Einschläge von Asteroiden oder Kometen aus den äußeren Bereichen des Sonnensystems finden“, erläutert Prof. Dr. Thorsten Kleine. Die Umlaufbahnen der Gas- und Eisriesen haben sich daher vermutlich während der Hauptbildungsphase der erdähnlichen Planeten verändert – das heißt in den ersten etwa 100 Millionen Jahren des Sonnensystems. Das stimmt wiederum gut mit neueren dynamischen Modellen überein. „Unsere Studie zeigt somit auch, dass die erdähnlichen Planeten schon relativ früh, während ihrer Entstehung, wasserreiche Körper aus dem äußeren Sonnensystem eingebaut haben und so die Bedingungen für die Entstehung von Leben geschaffen wurden“, ergänzt Thorsten Kleine.

Förderung
Die Arbeit entstand im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB/Transregio 170 „Late accretion onto terrestrial planets“ („Spätes Wachstum erdähnlicher Planeten“) und wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt.

Originalpublikation
Emily Worsham und Thorsten Kleine (2021): Late accretionary history of Earth and Moon preserved in lunar impactites. Science Advances Vol. 7; doi: 10.1126/sciadv.abh2837
Originalpublikation in „Science Advances“

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• Mond

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Quelle: DLR.

30. September 2021 – Die etwa 500 Kilometer große Vesta ist der größte Asteroid. Wie ihre zahlreichen Begleiter im Asteroidengürtel gehört sie zur ‚Urmaterie‘ des Sonnensystems. Eine in Nature Astronomy veröffentlichte Studie kommt nun zu dem Schluss: Vesta war sehr viel früher einer zweiten umfangreichen Einschlagserie großer Gesteinskörper ausgesetzt als bislang angenommen. Dies lässt den Rückschluss zu, dass das ganze innere Sonnensystem deutlich zeitiger von diesem sogenannten späten ‚Bombardement‘ betroffen war und damit alle erdähnlichen Planeten. Diese Beobachtung liefert damit auch wichtige Erkenntnisse zur Frühphase unserer Erde. Zu dieser Schlussfolgerung kommt ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung von Geowissenschaftlern des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), der Universität Heidelberg, der Freien Universität Berlin und dem Museum für Naturkunde Berlin. Bereits während der Entstehung erlebte Vesta ein erstes großes Bombardement-Ereignis, das aber nicht die Zusammensetzung des Mantels erklären kann.

Für die heute veröffentlichte Studie führte Dr. Wladimir Neumann vom DLR-Institut für Planetenforschung sowie dem Institut für Geowissenschaften der Universität Heidelberg zahlreiche Modellrechnungen der thermischen Entwicklung Vestas durch. Dadurch konnte der Zeitraum der frühen Einschläge besser eingegrenzt werden. „Damit das Material der einschlagenden Körper dem Gesteinsmantel der jungen Vesta überhaupt einigermaßen homogen beigemischt werden kann, muss dieser heiß genug sein und sich, von der inneren Wärme angetrieben, konvektiv umwälzen“, erklärt Dr. Neumann die Analysen. „Unsere Modelle haben ergeben, dass dies nur für Einschläge innerhalb der kurzen Zeitspanne vor 4,56 bis etwa 4,50 Milliarden Jahren zutrifft, also fast unmittelbar nach der Entstehung der Planeten im inneren Sonnensystem.“

Seltene Meteoriten liefern wichtige Indizien

Bislang ging man davon aus, dass die Hauptphase dieser Bombardierung erst einige hundert Millionen Jahre später erfolgte, etwa zu der Zeit, als auf dem Mond einige der großen Einschlagskrater entstanden. Für den Erdmond und wohl auch für die anderen terrestrischen Planeten zeichnet sich durch diese Untersuchung jedoch ab: Die Hauptmasse dieser ‚Bombardierung‘ erreichte die Planeten sehr früh nach ihrer Entstehung ähnlich wie bei Vesta.

Dieser Befund beruht neben Modellierungen auf Analysen von Meteoriten irdischer Sammlungen, deren Mutterkörper mit großer Wahrscheinlichkeit Vesta ist – die sogenannten ‚HED-Meteoriten‘. Die Abkürzung beruht auf den Anfangsbuchstaben einer Untergruppe seltener Steinmeteoriten, den Howarditen, Eukriten und Diogeniten, die Ähnlichkeiten mit magmatischen Gesteinen auf der Erde aufweisen. Aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung müssen sie von einem schon „differenzierten‘ planetaren Körper stammen, in dem sich schwere, metallische Elemente in einem Kern angereichert haben, der von einem leichteren Gesteinsmantel und einer noch leichteren Kruste umgeben war und magmatische Prozesse Veränderungen verursacht haben.

Planetare Körper wuchsen durch das Bombardement weiter

Numerische Simulationen und Untersuchungen mit der NASA-Raumsonde Dawn aus den Jahren 2011 und 2012 an Vesta zeigen heute ein neues Bild von der Chronologie der Kollisionsgeschichte im frühen Sonnensystem. Die erdähnlichen Planeten im frühen Sonnensystem wuchsen zunächst durch das Zusammenballen winziger, aneinanderhaftender Staubkörner, im Endstadium dann durch Einschläge immer größerer Gesteinskörper. Dies trifft auch auf den Asteroiden Vesta zu. Während des Wachstumsprozesses heizte sich Vesta in der Frühphase ihrer Entwicklung immer stärker auf, so dass ein oberflächennaher Magmaozean aus geschmolzenem Silikatgestein sowie ein flüssiger metallischer Kern im Inneren entstanden.

Im Laufe der Zeit schlugen andere Körper auf der Kruste von Vesta ein, wodurch auch Material ins All geschleudert und ins innere Sonnensystem transportiert wurde. So gelangten gelegentlich Gesteinstrümmer von Vesta als Meteorite auf die Erde. Chemische Analysen dieser Meteorite haben gezeigt, dass auch nach der Bildung von Vestas Kern weitere kosmische Einschläge die Zusammensetzung von Kruste und Mantel des Asteroiden verändert haben. „Diese Materialzufuhr war in der Frühphase jedoch deutlich größer als danach“ erläutert Professor Harry Becker von der Freien Universität Berlin, einer der Autoren der Untersuchung. Vesta wurde von mindestens zwei sehr großen Körpern aus dem Asteroiden-Hauptgürtel getroffen, wovon zwei mehrere hundert Kilometer große Einschlagsbecken am Südpol zeugen, die mit einer vom DLR und der Max-Planck-Gesellschaft entwickelten Kamera an Bord der Dawn-Mission entdeckt wurden.

Auch die Erde hatte einen Magmaozean und eine glühend heiße Atmosphäre

Zudem stammen die einschlagenden Körper offenbar nicht, wie bislang vermutet, aus dem heutigen Asteroidengürtel, sondern aus dem inneren Sonnensystem, in dem sich die erdähnlichen Planeten gebildet haben. „Für unsere Erde unterstreicht dies nochmals die Bedeutung einer frühen heißen Phase mit einem Magmaozean, der durch große Einschläge fortlaufend erneuert wurde. In dieser Zeit war die erste Atmosphäre der Erde über viele Millionen Jahre glühend heiß. Erst viel später konnten sich Wasserozeane bilden, indem der heiße Wasserdampf abkühlte und abregnete“, erläutert Prof. Dr. Kai Wünnemann vom Museum für Naturkunde und der FU Berlin.

Die Forschungsarbeiten an der Universität Heidelberg wurden von der Klaus Tschira Stiftung gefördert. Die Beiträge aus Berlin und Münster sind Teil des Sonderforschungsbereichs-Transregio TRR 170 ‚Late Accretion onto Terrestrial Planets‘ der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird. An der internationalen Studie beteiligt waren außerdem Wissenschaftler der Macau University of Science and Technology (Macau), der Université de Nice Sophia-Antipolis (Frankreich), der University of California at Davis und der University of California San Diego (beide USA), der Universität Bayreuth, dem Planetary Science Institute in Tucson (USA), und dem Institut für Planetenforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Originalpublikation:

M.-H. Zhu, A. Morbidelli, W. Neumann, Q.-Z. Yin, J.M.D. Day, D.C. Rubie, G.J. Archer, N. Artemieva, H. Becker, K. Wünnemann: Common feedstocks of late accretion for the terrestrial planets. Nature Astronomy (30 September 2021)

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• Asteroidengürtel

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.

23. September 2021 – In den Polarregionen des Mondes finden sich Krater und Senken, in die niemals Sonnenlicht fällt. Die bisher höchstaufgelösten Bilder aus der ewigen Nacht von 17 solcher Gebiete legt eine Gruppe von Forschern unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen heute in der Fachzeitschrift Nature Communications vor. Solche Gebiete könnten gefrorenes Wasser enthalten, was sie zu attraktiven Zielen für zukünftige Mond-Missionen macht. Die Forscher konzentrierten sich auf relativ kleine und leicht zugängliche Krater mit besonders sanften Hängen. Wie vor drei Tagen bekannt wurde, liegen drei der untersuchten Krater innerhalb der jüngst ausgewählten Landeregion des Volatiles Investigating Polar Exploration Rovers (VIPER) der NASA, der 2023 auf dem Mond aufsetzen soll. Schon jetzt einen Eindruck aus ihrem Innern zu gewinnen, hatte sich bisher als schwierig erwiesen, da sich Raumsonden bisher auf lange Belichtungszeiten verlassen mussten, was wiederum die Bilder verschmierte. Mit Hilfe von Streulicht und neuartigen, selbstlernenden Algorithmen gelang es den Forschern nun zum ersten Mal, Bilder mit einer Auflösung von bis zu 1-2 Metern pro Pixel zu produzieren.

Der Mond ist eine kalte, trockene Wüste. Da ihn – anders als die Erde – keine schützende Atmosphäre umgibt, ist das Wasser aus seiner Entstehungszeit unter dem Einfluss der Sonneneinstrahlung längst verdunstet und ins All entwichen. Allein einige Krater und Senken in den Polarregionen unseres Nachbarn geben Anlass, trotzdem auf begrenzte Wasservorkommen zu hoffen. Einige dieser Gebiete haben Wissenschaftler des MPS, der Universität Oxford und des NASA Ames Research Center jetzt genauer unter die Lupe genommen.

„Da das Sonnenlicht in der Nähe von Nord- und Südpol sehr flach einfällt, erreicht es dort den Boden einiger Krater und Senken nie“, erklärt Dr. Valentin Bickel vom MPS, Erstautor der neuen Studie. In dieser „ewigen Nacht“ herrschen mancherorts so kalte Temperaturen, dass gefrorenes Wasser wahrscheinlich über Millionen von Jahren überdauern kann. Einschläge von Kometen oder Asteroiden könnten es eingetragen haben oder es könnte durch Vulkanausbrüche oder die Wechselwirkung mit dem Sonnenwind entstanden sein. Messungen des Neutronenflusses und der Infrarotstrahlung, die in den vergangenen Jahren mit Hilfe von Raumsonden gelangen, deuten auf Wasser in diesen Regionen hin. Ein direkter Nachweis gelang der NASA-Mondmission Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (LCROSS): Vor zwölf Jahren feuerte die Sonde aus dem All ein Projektil auf den verschatteten Südpolkrater Cabeus ab. Wie spätere Auswertungen zeigten, enthielt die so aufgewirbelte Staubwolke Wasser in nicht unbeträchtlicher Menge.

Die dauerhaft verschatteten Gebiete sind jedoch nicht nur von wissenschaftlichem Interesse. Sollten sich jemals Menschen über längere Zeiträume auf dem Mond aufhalten, wäre natürlich vorkommendes Wasser eine wertvolle Ressource – und die dunklen Krater und Senken eine wichtige Anlaufstelle. Der unbemannte NASA-Rover VIPER etwa soll deshalb ab 2023 die Südpolregion auskundschaften und auch in das Innere solcher Gebiete vordringen. Um sich schon jetzt – etwa zur Missionsplanung – ein genaues Bild von deren Topographie und Geologie zu machen, sind Aufnahmen von Raumsonden unerlässlich. Der Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) der amerikanischen Weltraumbehörde NASA liefert seit 2009 entsprechende Bilder.

Nur Streu- und Sternenlicht

Doch Bilder aus dem tiefen Dunkel der verschatteten Krater aufzunehmen, ist für die altgediente Raumsonde außergewöhnlich schwierig; schließlich sind die einzigen Lichtquellen Streulicht, das etwa von der Erde und der umgebenden Topographie reflektiert wird, und schwaches Sternenlicht. „Da die Raumsonde in Bewegung ist, sind die LRO-Aufnahmen bei langen Belichtungszeiten völlig verschmiert“, erklärt Ben Moseley von der Universität Oxford, ein Co-Autor der Studie. Bei kurzen Belichtungszeiten ist zwar die räumliche Auflösung deutlich besser. Wegen der geringen Lichtmenge, die zur Verfügung steht, lässt sich jedoch kaum zwischen echten geologischen Strukturen und Rauschen unterscheiden.

Um das Problem zu mildern, haben die Forscher den selbstlernenden Computeralgorithmus HORUS (Hyper-effective nOise Removal U-net Software) entwickelt, der solch verrauschte Aufnahmen „aufräumt“. Er nutzt mehr als 70.000 LRO-Kalibrationsbilder, die auf der Schattenseite des Mondes aufgenommen wurden, sowie Informationen über Kamera-Temperatur und die Flugbahn der Raumsonde um zu unterscheiden, welche Struktur im Bild ein Artefakt der Messung ist und welche echt. Auf diese Weise erreichen die Forscher eine Auflösung von etwa 1-2 Metern pro Pixel. Das ist fünf- bis zehnmal so genau wie alle bisherigen Aufnahmen.

Felsbrocken, Krater und helle Flecken

Bilder von 17 verschatteten Gebieten mit Flächen zwischen 0,18 und 54 Quadratkilometern aus der Südpolregion des Mondes haben die Forscher auf diese Weise nun neu ausgewertet. Deutlich klarer als zuvor treten dadurch kleinere geologische Strukturen von einigen Metern Größe zu Tage. Dazu zählen etwa Felsbrocken oder sehr kleine Krater, wie sie überall auf der Mondoberfläche zu finden sind. Da der Mond keine Atmosphäre besitzt, stürzen auch immer wieder sehr kleine kosmische Brocken auf seine Oberfläche und hinterlassen dort solche Mini-Krater.

„Mit Hilfe der neuen Bilder ist es nun möglich, die Geologie der dunklen Gebiete besser als zuvor zu verstehen“, erklärt Moseley. So erlauben etwa die Anzahl und die Form der Kleinstkrater Aufschluss über Alter und Beschaffenheit der Oberfläche. Außerdem lassen sich so potentielle Hindernisse für einen Rover oder Astronauten besser erkennen. In einem der untersuchten Krater auf dem Leibnitz Plateau entdeckten die Forscher einen auffallend hellen Mini-Krater. „Die vergleichsweise helle Färbung könnte darauf hinweisen, dass dieser Krater recht jung ist“, so Bickel. Da eine solch frische Schramme recht unverfälschte Einblicke in tiefere Schichten ermöglicht, könnte diese Stelle ein interessantes Ziel für zukünftige Missionen sein, schlagen die Forscher vor.

Hinweise auf oberflächennahes gefrorenes Wasser wie etwa größere helle Flächen finden sich in den neuen Ansichten nicht. „Wahrscheinlich ist es in einigen der Gebiete, die wir uns vorgenommen haben, doch ein wenig zu warm“, mutmaßt Bickel. Wahrscheinlich ist es jedoch, dass das Mond-Wasser nicht als gut sichtbare Ablagerung an der Oberfläche vorkommt. Stattdessen könnte es mit dem Gestein und Staub vermischt oder im Untergrund verborgen sein.

Um dieser und anderen Fragen nachzugehen, wollen die Forscher im nächsten Schritt möglichst viele weitere verschattete Krater mit ihrem neuen Algorithmus untersuchen. „In der aktuellen Veröffentlichung wollten wir zeigen, was unser Algorithmus leisten kann. Jetzt wollen wir ihn möglichst flächendeckend anwenden“, so Bickel.

Diese Arbeit wurde durch das Frontier Development Lab (FDL.ai) unterstützt, einer Kooperationsvereinbarung zwischen der NASA, dem SETI Institut (seti.org), und Trillium Technologies Inc, in Partnerschaft mit der Luxembourg Space Agency und Google Cloud.

Originalveröffentlichung
V.T. Bickel, B. Moseley, I. Lopez-Francos, M. Shirley:
Peering into lunar permanently shadowed regions with deep learning,
Nature Communications, 23. September 2021

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• Mond

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Quelle: ESA.

20. September 2021 – Die NASA-Astronautin Kate Rubins ist erst vor fünf Monaten auf der Erde gelandet, und schon hat sie den Mond im Blick.

Als sie auf die Spitze des Nördlinger Kirchturms klettert, genießt sie kurz die Aussicht auf die bayerische Kleinstadt und wendet dann den Kopf, um einige winzige, glänzende Elemente an der Wand zu betrachten.
Ihre zweite Woche im Pangaea-Trainingskurs hat begonnen. Sie hat Mikrodiamanten im Stein entdeckt – mineralogische Beweise dafür, dass ein Meteorit den Krater geformt hat, in dem die Stadt liegt.

„Kate lernt schnell und hat sich in kürzester Zeit in die Dynamik des Kurses eingearbeitet. Sie nimmt hier in wenigen Tagen eine Menge geologischer Informationen auf, für die Studierende an der Universität Monate brauchen könnten“, sagt Francesco Sauro, der Pangaea-Kursleiter, stolz.

“Kate und ESA-Astronaut Andreas Mogensen beschreiben Gesteinsaufschlüsse wie Profis und stellen sehr anspruchsvolle Fragen“, fügt er hinzu.

Kate ist nicht der erste amerikanische Raumfahrtbesuch in dieser Ecke von Deutschland. Vor einem halben Jahrhundert haben die Besatzungen von Apollo 14 und 17 den Rieskrater vor ihrem Flug zum Mond untersucht, weil er einer der am besten erhaltenen Einschlagskrater der Erde ist. Aus diesem Grund lehren führende europäische Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der zweiten Woche von Pangaea 2021 hier die Geologie des Mondes.

Es ist ein passender Ort für Kate, denn sie gehört zur Gruppe der Artemis-Astronaut*innen und könnte die erste Amerikanerin werden, die auf dem Mond landet. Sie hat insgesamt 300 Tage im Weltraum verbracht und bei ihren beiden Flügen zur Internationalen Raumstation vier Außenbordeinsätze durchgeführt. Kate war die erste Person, die im Weltraum eine DNA-Sequenzierung durchführte.

Die Erde im Blick

Trotz ihrer beeindruckenden Raumfahrtkarriere sieht sich Kate immer noch „in erster Linie als Wissenschaftlerin“. Das Bild unseres Planeten aus der Umlaufbahn ist ihr noch frisch im Gedächtnis, und so ist die Mikrobiologin in ihrem Element, wenn sie Proben sammelt, Vorträge hört und durch das Mikroskop schaut.

„Ich habe ein wenig Erfahrung mit der Sammlung biologischer Proben und mit Techniken zur Vermeidung von Kontaminationen“, sagt sie bescheiden. Kate ist mit den Protokollen zum Planetenschutz vertraut, ein Thema, das auch in den Pangaea-Lektionen behandelt wurde, und hat sogar schon einen Vortrag für das Komitee für Weltraumforschung (COSPAR) von der Internationalen Raumstation aus gehalten.

Vertieftes Lernen

Die Wissenschaftlerin in ihr schätzt die Zeit, die sie im Schulungsraum verbringt. „Ich finde die Methodik dieses Kurses sehr gut – er bringt mir eine Menge“, sagt sie.

Vom Erkennen von Landschaftsmerkmalen zur Identifizierung einer Probe bis hin zur Kommunikation mit den Wissenschaftler*innen auf der Erde – sie ist der Meinung, dass sie mit soliden Fähigkeiten ausgestattet wird. Sie sagt, dass Pangaea sich dadurch auszeichnet, dass das “Training alles, von den Grundlagen der Planetengeologie bis hin zu einigen sehr spezifischen, missionsbezogenen Zielen, abdeckt.“

Kate macht es Spaß, das Gelernte auf dem Terrain auszuprobieren, und sie schätzt die praktischen Anwendungen für die Planetenerkundung, wie zum Beispiel das elektronische Feldbuch (Electronic Field Book).
Nach etwas mehr als zehn Tagen im Kurs ist sie bereit, weiter für das nächste Ziel zu lernen – den Mond.

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• Nördlinger Ries und Steinheimer Becken

Der Beitrag Pangaea-Training im Rieskrater: Kate und der Mond erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Göttingen.

Das knapp 15 Millionen Jahre alte Nördlinger Ries mit seinen Seeablagerungen ist ein sedimentgefüllter Einschlagkrater. Er ist vom Aufbau vergleichbar mit den Kratern, die derzeit auf dem Mars erkundet werden. Neben verschiedenen anderen Ablagerungen am Beckenrand bilden vor allem geschichtete Tonablagerungen die Kraterbeckenfüllung im Ries. Ein Forschungsteam unter Leitung der Universität Göttingen hat nun überraschend eine Vulkanasche-Schicht in dem Krater nachgewiesen. Zudem konnte das Team zeigen, dass sich der Untergrund des Kraters langfristig senkt, was wichtige Erkenntnisse für die Erkundung von Marskratern mit sich bringt. Die Ergebnisse der Studie sind in der Fachzeitschrift Journal of Geophysical Research Planets erschienen.

Bisher ging man davon aus, dass sich diese Ablagerungen auf einem stabilen Kraterboden abgesetzt haben. Gleiches wird für Kraterablagerungen auf dem Mars angenommen, auch wenn sich dort immer wieder muldenförmige Lagerungen finden, deren Schichten sich an der Oberfläche als ringförmige Strukturen abbilden. Ein genaues Verständnis der Lagerungsverhältnisse und der zeitlichen Wechselbeziehungen der Abfolgen ist jedoch wichtig, um die chemische Entwicklung eines Kratersees und seine Lebensmöglichkeiten zu rekonstruieren.

Erstmals konnten die Forscherinnen und Forscher nun im Ries eine Vulkanasche-Schicht in den Seesedimenten der 330 Meter mächtigen Kraterfüllung nachweisen. „Das ist überraschend, da vulkanische Gesteine hier nicht mehr erwartet wurden, seitdem das kreisrunde Becken als Asteroidenkrater identifiziert wurde“, sagt Erstautor Prof. Dr. Gernot Arp vom Geowissenschaftlichen Zentrum der Universität Göttingen. „Eingeweht wurde die Asche von einem Vulkankomplex 760 Kilometer weiter östlich in Ungarn. Das Alter der Asche konnte auf 14.2 Millionen Jahre datiert werden“, ergänzt sein Kollege und Co-Autor István Dunkl.

Die Asche, inzwischen umgewandelt in stickstoffreiche Silikatminerale, zeigt eine überraschend stark „durchhängende“ Lagerung: Am Beckenrand ist sie an der derzeitigen Geländeoberfläche zu finden, während sie im Beckenzentrum in etwa 220 Metern Tiefe zum Liegen kommt. Eine nachfolgende systematische Auswertung von Bohrungen und geologischen Kartierungen belegt nun auch für die Ries-Kraterfüllung eine ringförmige Anordnung der zu Tage tretenden Schichten, mit den ältesten Ablagerungen am Rand und den jüngsten im Zentrum.

Berechnungen zeigen, dass diese Lagerung nicht allein dadurch erklärt werden kann, dass sich die unterlagernden Seeablagerungen absetzen. Vielmehr ist eine zusätzliche Absenkung um etwa 135 Meter nötig. Diese lässt sich nur durch Setzungserscheinungen des kilometertief zerrütteten Krateruntergrundes erklären. Während die genauen Mechanismen einer Kraterbodenabsenkung noch erforscht werden müssen, kann bereits eine einfache Modellrechnung zeigen, dass eine Absenkung in der genannten Größe durch Setzungserscheinungen der zerrütteten Untergrundgesteine grundsätzlich möglich ist. Damit lassen sich nun auch Schichtverstellungen in Kraterfüllungen auf dem Mars besser erklären, zumindest für Krater, welche eine enge zeitliche Abfolge von Kraterbildung und anschließender Wasserfüllung mit Sedimentation aufweisen.

Die Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Neben Geobiologen und Sedimentologen der Universität Göttingen waren auch das Bayerische Landesamt für Umwelt sowie die Brown University, Providence, USA, beteiligt.

Originalveröffentlichung:
Arp, G. et al: A Volcanic Ash Layer in the Nördlinger Ries Impact Structure (Miocene, Germany): Indication of Crater Fill Geometry and Origins of Long-Term Crater Floor Sagging. Journal of Geophysical Research Planets (2021).

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• Nördlinger Ries und Steinheimer Becken

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Quelle: ESO ESON.

28. Oktober 2019 – Astronomen haben durch Beobachtungen mit dem SPHERE-Instrument am Very Large Telescope (VLT) der ESO ermittelt, dass der Asteroid Hygiea möglicherweise als Zwergplanet klassifiziert werden könnte. Hygiea ist das viertgrößte Objekt im Asteroidengürtel nach Ceres, Vesta und Pallas. Zum ersten Mal konnten Astronomen Hygiea mit einer so hohen Auflösung beobachten, mit der man ihre Oberfläche analysieren sowie ihre Form und Größe bestimmen kann. Sie fanden heraus, dass Hygiea annähernd kugelförmig ist und daher möglicherweise von Ceres den Titel des kleinsten Zwergplaneten im Sonnensystem übernimmt.

Als Objekt im Asteroiden-Hauptgürtel erfüllt Hygiea gleich drei der vier Voraussetzungen, um als Zwergplanet eingestuft zu werden: Sie umkreist die Sonne, ist kein Mond und hat im Gegensatz zu einem Planeten den Bereich um ihre Umlaufbahn nicht freigeräumt. Die letzte Anforderung ist, dass sie genügend Masse hat, um sich ihre eigene Schwerkraft zu einer nahezu kugelförmigen Form zu kommen. Das ist genau das, was die VLT-Beobachtungen nun über Hygiea ergeben haben.

„Dank der einzigartigen Möglichkeiten des SPHERE-Instruments am VLT, das eines der leistungsfähigsten Bildgebungssysteme der Welt ist, konnten wir die Form von Hygiea auflösen, die sich als nahezu kugelförmig erwiesen hat“, sagt der leitende Forscher Pierre Vernazza vom Laboratoire d’Astrophysique de Marseille in Frankreich. „Dank dieser Bilder kann Hygiea als Zwergplanet reklassifiziert werden, der bisher kleinste im Sonnensystem.“

Das Team nutzte die SPHERE-Beobachtungen auch, um den Durchmesser von Hygiea einzugrenzen: Er liegt etwas über 430 km. Pluto, der berühmteste unter den Zwergplaneten, hat einen Durchmesser von fast 2400 km, während Ceres fast 950 km groß ist.

Überraschenderweise zeigten die Beobachtungen aber auch, dass es Hygiea an den großen Einschlagkratern mangelt, die die Wissenschaftler eigentlich auf ihrer Oberfläche erwartet hatten, so der Bericht des Teams in der heute bei Nature Astronomy veröffentlichten Studie. Hygiea ist das Hauptmitglied einer der größten Asteroidenfamilien mit fast 7000 Mitgliedern, die alle aus demselben Ursprung haben. Die Astronomen waren davon ausgegangen, dass das Ereignis, das zur Entstehung dieser zahlreichen Gruppe führte, auf Hygiea seine Spuren hinterlassen hat.

„Dieses Ergebnis war eine echte Überraschung, da wir damit gerechnet haben, ein großes Einschlagsbecken vorzufinden, wie es bei Vesta der Fall ist“, erklärt Vernazza. Obwohl die Astronomen 95% der Oberfläche von Hygiea beobachtet haben, konnten sie nur zwei eindeutige Krater identifizieren. „Keiner dieser beiden Krater hätte durch den Einschlag verursacht werden können, der die Hygiea-Asteroidenfamilie hervorgebracht hat, denn deren Gesamtvolumen entspricht in etwa dem eines 100 km großen Objekts. Sie sind zu klein“, erklärt Miroslav Brož vom Astronomischen Institut der Karls-Universität im tschechischen Prag, einer der Ko-Autoren der Studie.

Das Team beschloss, weitere Untersuchungen durchzuführen. Anhand numerischer Simulationen folgerten sie, dass die Kugelform von Hygiea und die große Familie der Asteroiden wahrscheinlich das Ergebnis eines schweren Frontalzusammenstoßes mit einem großen Projektil mit einem Durchmesser zwischen 75 und 150 km sind. Ihre Simulationen zeigen diesen gewaltigen Aufprall, von dem man annimmt, dass er vor etwa 2 Milliarden Jahren stattgefunden hat und der den Mutterkörper völlig zerstört hat. Nachdem sich die übrig gebliebenen Teile wieder zusammengesetzt hatten, entstand die  runde Form von Hygiea und tausende von Begleit-Asteroiden wurden erzeugt. „Eine solche Kollision zwischen zwei großen Körpern im Asteroidengürtel ist in den letzten 3-4 Milliarden Jahren einzigartig“, erläutert Pavel Ševec, Doktorand am Astronomischen Institut der Prager Karls-Universität, der ebenfalls an der Studie beteiligt war.

Die detaillierte Erforschung von Asteroiden ist nicht nur aufgrund der Fortschritte in der numerischen Berechnung, sondern vor allem durch leistungsfähigere Teleskope möglich geworden. „Dank des VLT und SPHERE als Instrument der nächsten Generation mit adaptiver Optik können wir nun Hauptgürtelasteroiden mit beispielloser Auflösung abbilden und die Lücke zwischen bodengebundenen Beobachtungen und interplanetaren Satellitenmissionen schließen“, resümiert Vernazza.

Weitere Informationen
Die hier vorgestellten wissenschaftlichen Ergebnisse erscheinen am 28. Oktober in der Zeitschrift Nature Astronomy.

Die beteiligten Wissenschaftler sind P. Vernazza (Aix Marseille Université, CNRS, Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Frankreich), L. Jorda (Aix Marseille Université, CNRS, Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Frankreich), P. Ševec (Institut für Astronomie, Karls-Universität, Prag, Tschechische Republik), M. Brož (Institut für Astronomie, Karls-Universität, Prag, Tschechien), M. Viikinkoski (Mathematik und Statistik, Universität Tampere, Tampere, Finnland), J. Hanuš (Institut für Astronomie, Karls-Universität, Prag, Tschechien), B. Carry (Université Côte d’Azur, Observatoire de la Côte d’Azur, CNRS, Laboratoire Lagrange, Nizza, Frankreich), A. Drouard (Aix Marseille Université, CNRS, Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Frankreich), M. Ferrais (Space Sciences, Technologies and Astrophysics Research Institute, Université de Liège, Belgien), M. Marsset (Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences, MIT, Cambridge, MA, USA), F. Marchis (Aix Marseille Université, CNRS, Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Frankreich, und SETI Institute, Carl Sagan Center, Mountain View, USA), M. Birlan (Observatorium Paris, Paris, Frankreich), E. Podlewska-Gaca (Astronomisches Observatorium, Fakultät für Physik, Adam-Mickiewicz-Universität, Posen, Polen, und Institut für Physik, Universität Stettin, Polen), E. Jehin (Forschungsinstitut für Raumwissenschaften, Technologien und Astrophysik, Université de Liège, Lüttich, Belgien), P. Bartczak (Astronomisches Observatorium, Fakultät für Physik, Adam-Mickiewicz-Universität, Posen, Polen), G. Dudzinski (Astronomisches Observatorium, Fakultät für Physik, Adam-Mickiewicz-Universität, Posen, Polen), J. Berthier (Observatoire de Paris, Paris, Frankreich), J. Castillo-Rogez (Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, Kalifornien, USA), F. Cipriani (European Space Agency, ESTEC – Scientific Support Office, Niederlande), F. Colas (Observatoire de Paris, Paris, Frankreich), F. DeMeo (Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences, MIT, Cambridge, MA, USA), C. Dumas (TMT Observatorium, Pasadena, USA), J. Durech (Institut für Astronomie, Karls-Universität, Prag, Tschechien), R. Fetick (Universität Aix Marseille, CNRS, Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Frankreich und ONERA, The French Aerospace Lab, Chatillon Cedex, Frankreich), T. Fusco (Aix Marseille Université, CNRS, Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Frankreich und ONERA, The French Aerospace Lab, Chatillon Cedex, Frankreich), J. Grice (Université Côte d’Azur, Observatoire de la Côte d’Azur, CNRS, Laboratoire Lagrange, Nizza, Frankreich und Open University, School of Physical Sciences, The Open University, Milton Keynes, Großbritannien), M. Kaasalainen (Mathematik und Statistik, Universität Tampere, Tampere, Finnland), A. Kryszczynska (Astronomisches Observatorium, Fakultät für Physik, Adam-Mickiewicz-Universität, Posen, Polen), P. Lamy (Aix Marseille Université, CNRS, Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Frankreich), H. Le Coroller (Aix Marseille Université, CNRS, Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Frankreich), A. Marciniak (Astronomisches Observatorium, Fakultät für Physik, Adam Mickiewicz Universität, Posen, Polen), T. Michalowski (Astronomisches Observatorium, Fakultät für Physik, Adam-Mickiewicz-Universität, Posen, Polen), P. Michel (Université Côte d’Azur, Observatoire de la Côte d’Azur, CNRS, Laboratoire Lagrange, Nizza, Frankreich), N. Rambaux (Observatoire de Paris, Paris, Frankreich), T. Santana-Ros (Departamento de Fı́sica, Universidad de Alicante, Alicante, Spanien), P. Tanga (Université Côte d’Azur, Observatoire de la Côte d’Azur, CNRS, Laboratoire Lagrange, Nizza, France), F. Vachier (Observatoire de Paris, Paris, Frankreich), A. Vigan (Aix Marseille Université, CNRS, Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Frankreich), O. Witasse (Europäische Weltraumorganisation, ESTEC – Scientific Support Office, Niederlande), B. Yang (Europäische Südsternwarte, Santiago, Chile), M. Gillon (Space Sciences, Technologies and Astrophysics Research Institute, Université de Liège, Belgien), Z. Benkhaldoun (Oukaimeden Observatorium, Hochenergiephysik und Astrophysik Labor, Cadi Ayyad Universität, Marrakesch, Marokko), R. Szakats (Konkoly Observatorium, Forschungszentrum für Astronomie und Geowissenschaften, Ungarische Akademie der Wissenschaften, Budapest, Ungarn), R. Hirsch (Astronomisches Observatorium, Fakultät für Physik, Adam-Mickiewicz-Universität, Posen, Polen), R. Duffard (Instituto de Astrofísica de Andalucía, Glorieta de la Astronomía S/N, Granada, Spanien), A. Chapman (Buenos Aires, Argentinien), J. L. Maestre (Observatorio de Albox, Almeria, Spanien).

Die Europäische Südsternwarte (engl. European Southern Observatory, kurz ESO) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Die Organisation hat 16 Mitgliedsländer: Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Irland, Italien, die Niederlande, Österreich, Polen, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz und die Tschechische Republik. Hinzu kommen das Gastland Chile und Australien als strategischer Partner. Die ESO führt ein ehrgeiziges Programm durch, das sich auf die Planung, den Bau und den Betrieb leistungsfähiger bodengebundener Beobachtungseinrichtungen konzentriert, die es Astronomen ermöglichen, wichtige wissenschaftliche Entdeckungen zu machen. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO verfügt über drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Chile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope (VLT) und das weltweit führende Very Large Telescope Interferometer sowie zwei Durchmusterungsteleskope: VISTA im Infrarotbereich und das VLT Survey Telescope (VST) für sichtbares Licht. Am Paranal wird die ESO zukünftig außerdem das Cherenkov Telescope Array South beherbergen und betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlenobservatorium der Welt. Die ESO ist zusätzlich einer der Hauptpartner bei zwei Projekten auf Chajnantor, APEX und ALMA, dem größten astronomischen Projekt überhaupt. Auf dem Cerro Armazones unweit des Paranal errichtet die ESO zur Zeit das Extremely Large Telescope (ELT) mit 39 Metern Durchmesser, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: DLR, Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, JPL. Vertont von Peter Rittinger.

Bereits am 6. März 2015 erreichte die von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebene Raumsonde DAWN ihr zweites und finales Forschungsziel – den im Asteroidengürtel unseres Sonnensystems gelegenen Zwergplaneten (1) Ceres. Seit dem April 2015 fertigt die Framing Camera – das unter der Leitung von Mitarbeitern des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen entwickelte und betriebene Kameraexperiment an Bord der Raumsonde – Aufnahmen von der Oberfläche des Zwergplaneten an, welche eine zuvor nicht erreichte Auflösung der dortigen Strukturen erlauben und die für jede Menge Diskussionsbedarf unter den an dieser Mission beteiligten Wissenschaftlern sorgen.

Ein Beispiel hierfür sind diverse helle Flecken auf der Oberfläche von Ceres, bei denen es sich sehr wahrscheinlich um lokal begrenzte Eisablagerungen handelt. Neben gefrorenem Wasser, welches die Planetologen auch unter der Oberfläche von Ceres vermuten, kommen hierfür jedoch auch helle Salzminerale in Frage (Raumfahrer.net berichtete). Aber auch eine Aufnahme, welche bereits am 23. Mai 2015 aus einer Entfernung von 5.100 Kilometern angefertigt und mit dem eine Auflösung von 480 Metern pro Pixel erreicht wurde, zeigt Oberflächenstrukturen, welche zurzeit noch nicht eindeutig erklärt werden können. Eigentlich wurde die entsprechende Aufnahme für Navigationszwecke angefertigt, um die Raumsonde sicher und auf einer vorbestimmten Route an ihr Ziel zu dirigieren. Trotzdem enthüllen die zu diesem Zweck angefertigten Aufnahmen auch wissenschaftlich relevante Informationen.

„Wir erkennen eine ungewöhnlich große Ansammlung von kleinen runden Strukturen auf engem Raum – dazu gehören kleinere so genannte Sekundär-Krater, die bei großen Einschlägen durch das dadurch ausgeworfene Material entstanden sind, aber auch längere linienförmige Anordnungen und sehr wahrscheinlich Einsturzsenken“, so Prof. Ralf Jaumann vom Institut für Planetenforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin-Adlershof, einer der Mitarbeiter des Kamerateams der DAWN-Mission. „Ähnliche Strukturen gibt es zwar auf den Eismonden von Jupiter und Saturn, aber nicht in dieser Dichte.“
Einer der am 23. Mai 2015 von der Framing Camera abgebildeten Impaktkrater – es handelt sich dabei um einen der größeren Krater auf der nördlichen Hemisphäre von Ceres sowie die unmittelbar südlich davon gelegene Region zwischen 13 und 51 Grad nördlicher Breite und 182 und 228 Grad östlicher Länge – verfügt über einen Durchmesser von etwa 110 Kilometern. In seinem Inneren sind zahlreiche weitere, allerdings deutlich kleinere Krater sowie ein ausgeprägter Riss auf der Oberfläche zu erkennen.

Bei einer genaueren Betrachtung lassen sich unterhalb des großen Kraters zudem verschiedene Ketten kleinerer Krater erkennen. Zum Teil liegen diese so dicht bei einander, dass sie wie in die Länge gezogene ‚Schrammen‘ erscheinen. Derartige Kraterketten treten auch auf anderen Himmelskörpern innerhalb unseres Sonnensystems wie zum Beispiel dem Mond der Erde, dem Mars und mehreren Asteroiden und weiteren Monden auf. Auch der Protoplanet (4) Vesta – das erste Ziel der DAWN-Mission – verfügt über derartige Strukturen.
Oftmals entstehen derartige Kraterketten als Folge eines heftigen Impakts, der zunächst einen großen Krater in die Oberfläche reißt. Im Rahmen dieses Vorgangs wird zudem Material in die Höhe geschleudert, welches anschließend wieder auf die Oberfläche trifft und gegebenenfalls weitere, allerdings kleinere Krater erzeugt. Planetologen bezeichnen derartige Strukturen als Primär- beziehungsweise Sekundärkrater.

„Sekundärkrater sind nützliche Werkzeuge bei der Altersbestimmung von Oberflächenstrukturen“, erklärt Dr. Thomas Platz vom MPS, ein weiterer Mitarbeiter des Framing-Camera-Teams. Diese kleineren Krater finden sich zum Teil in großer Entfernung zu dem für ihre Entstehung verantworten Primärkrater, sind aber genauso alt wie dieser. Strukturen, welche die Sekundärkrater überdecken oder unter ihnen hervorschauen, können so im Vergleich zu dem Primärkrater datiert werden. „Auf diese Weise wird es möglich, das Alter weit entfernter Oberflächen zu einander in Beziehung zu setzen“, so Dr. Platz. Diese Methode wird auch als Crater Counting bezeichnet.

Ob die Kraterketten auf der Oberfläche von Ceres, welche auf der aktuellen Aufnahme zu erkennen sind und zum Teil in derselben Richtung verlaufen, alle zu ein und demselben Primäreinschlag gehören, ist jedoch noch unklar.

Derzeit wird von den an dieser internationalen Weltraummission beteiligten Wissenschaftlern intensiv diskutiert, durch welche exakten Prozesse diese vielen kleinen Krater genau entstanden sein könnten. Prof. Jaumann hält es dabei für denkbar, dass es sich bei diesen runden Strukturen um Einsturzsenken handeln könnte, welche sich unabhängig von einem Impaktereignis gebildet haben.

„Hinter dieser Oberfläche steckt sehr wahrscheinlich eine geologisch komplexe Geschichte: Zum einen sind wohl Projektil-Teilchen aus anderen Kratern dort eingeschlagen und hinterließen kleinere Sekundär-Krater, zum anderen deutet der Riss darauf hin, dass es Bewegungen im Kraterboden selbst gegeben hat“, so Prof. Jaumann weiter. „Im Untergrund von Ceres könnten Risse vorhanden sein, in die von der Oberfläche loses Material hineinrutscht“, so ein Lösungsansatz für die Entstehung dieser Strukturen.

Für die eingehendere Untersuchung dieser Strukturen und deren Erklärung sind jedoch weitere Bilddaten notwendig, welche über eine noch höhere Auflösung als bisher gegeben verfügen. Bis dahin müssen die beteiligten Wissenschaftler allerdings noch ein paar weitere Tage Geduld aufbringen. Den nächst niedrigeren Orbit um Ceres wird DAWN erst am 6. Juni 2015 erreichen. Ab dann wird die Raumsonde den Zwergplaneten bis zum 30. Juni auf einer über die beiden Pole von Ceres verlaufenden Umlaufbahn alle drei Tage in einer Entfernung von nur noch etwa 4.400 Kilometern umrunden. Um in diesen so genannten „Survey Orbit“ zu gelangen, sind derzeit die Ionen-Triebwerke der Raumsonde in Betrieb, wodurch bedingt gegenwärtig keine weitere Aufnahmen mit dem Kamerasystem möglich sind.

„Wenn wir in diesem Orbit ankommen, beträgt die Auflösung unserer Fotos 400 Meter pro Pixel – damit und mit der dann viel besseren dreidimensionalen Auflösung werden wir die Strukturen besser analysieren können“, so Prof. Jaumann weiter. Die beteiligten Wissenschaftler hoffen, durch diese dann anzufertigenden Aufnahmen einige der bisherigen Rätsel über die Entstehungs- und Entwicklungsgeschichte dieses Zwergplaneten entschlüsseln zu können.

Die DAWN-Mission wird vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA geleitet. Die University of California in Los Angeles ist für den wissenschaftlichen Betrieb der Mission verantwortlich. Das Kamerasystem an Bord der Raumsonde wurde unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Zusammenarbeit mit dem Institut für Planetenforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin-Adlershof und dem Institut für Datentechnik und Kommunikationsnetze in Braunschweig entwickelt und gebaut. Das Kameraprojekt wird finanziell von der Max-Planck-Gesellschaft, dem DLR und der NASA (JPL) unterstützt.
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NASA Press-Kit:

• DAWN at Ceres (4,2 MB, engl.)

Technische Beschreibung der Framing Camera:

• MPS (engl.)

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: DLR, FU Berlin, ESA.

Gegenwärtig wird der Mars, der äußere Nachbarplanet der Erde, von fünf aktiven Orbitern umkreist. Neben der von der europäischen Weltraumagentur ESA betriebene Raumsonde Mars Express handelt es sich dabei um die von der indischen Raumfahrtbehörde ISRO betriebene Marssonde Mars Orbiter Mission – inoffiziell auch als Mangalyaan bezeichnet – und die drei NASA-Marsorbiter MAVEN, die den Mars erst am 22. September 2014 erreichte, Mars Reconnaissance Orbiter (Ankunft am 10. März 2006) und Mars Odyssey, welche den Mars bereits seit dem 24. Oktober 2001 umrundet und somit den ‚Methusalem‘ unter den aktiven Marssonden darstellt.
Gleichzeitig sind auf der Marsoberfläche zwei weitere ‚Kundschafter der Menschheit‘ – die ebenfalls von der NASA betriebenen Rover Opportunity und Curiosity – aktiv. Der bereits am 25. Januar 2004 auf dem Mars gelandete Rover Opportunity hält dabei mit einer derzeit auf dem Mars zurückgelegten Strecke von etwa 41,5 Kilometern den Rekord für jenseits der Erde zurückgelegte Fahrten und die dabei überbrückten Distanzen (Raumfahrer.net berichtete).

Den Rekord für die in einer Umlaufbahn um den ‚Roten Planeten‘ zurückgelegte Strecke hält dagegen – bedingt durch ihre elliptische Umlaufbahn, welche in Entfernungen zwischen 240 und 11.000 Kilometern zur Planetenoberfläche verläuft – die Raumsonde Mars Express, die seit ihrer in den frühen Morgenstunden des 25. Dezember 2003 erfolgten Ankunft bei unserem Nachbarplaneten mittlerweile rund 400 Millionen Kilometer in einer Marsumlaufbahn zurückgelegt hat. Am Abend des 24. Dezember 2014 wird Mars Express ihren mittlerweile 13.936ten Umlauf um den Mars absolvieren.

Seit ihrer Ankunft beim Mars lieferte die Raumsonde Mars Express den an dieser Mission beteiligten Wissenschaftlern regelmäßig eine Vielzahl an Bildaufnahmen und weitere Daten über die Atmosphäre und die Oberfläche unseres äußeren Nachbarplaneten, durch deren Auswertung sich für die Planetenforscher wertvolle Einblicke in dessen Entwicklungsgeschichte ergeben. Die sieben wissenschaftlichen Instrumente an Bord des Marsorbiters lieferten dabei wichtige Beiträge zur Untersuchung der Oberflächengeologie sowie zur ‚Geschichte des Wassers‘ auf unserem Nachbarplaneten und damit auch zur Klärung der Frage, ob einstmals ‚Leben auf dem Mars‘ möglich war.

Bei einem dieser Instrumente handelt es sich um die „High Resolution Stereo Camera“ (kurz „HRSC“). Die wissenschaftliche Aufgabe dieser hochauflösenden Stereokamera besteht in der multispektralen und dreidimensionalen Erfassung der Morphologie und Topographie der Marsoberfläche, wobei unter optimalen Bedingungen eine Auflösung von bis zu 10 Metern pro Pixel erreicht werden kann. Aus diesen Daten lassen sich für die Erforschung des Mars wichtige Erkenntnisse über die aktuelle Beschaffenheit der Planetenoberfläche sowie über die vulkanische, fluviale und glaziale Geschichte des Mars ableiten (Raumfahrer.net berichtete).

Mittlerweile wurden mit der HRSC-Kamera mehr als 90 Prozent der Marsoberfläche in hoher Auflösung abgebildet. Die bisher erstellten Aufnahmesequenzen wurden dabei während lediglich 4.165 Orbits angefertigt. Einerseits wird die HRSC nicht bei jedem Orbit aktiv, damit auch die anderen Instrumente der Raumsonde die für ihre Messungen nötigen Beobachtungszeiten erhalten. Außerdem herrschen nicht immer optimale Beobachtungsbedingungen für die HRSC, da eventuell zeitgleich zu dem jeweiligen vorgesehenen Aufnahmezeitpunkt auftretende störende atmosphärische Effekte wie Staubstürme oder Wolkenbildung die Beobachtungen zu stark beeinträchtigen können.

Missionsverlängerung bis Ende 2018
Aufgrund der hohen wissenschaftlichen Ausbeute und des guten Zustandes, in dem sich Mars Express immer noch befindet, wurde die ursprünglich auf eine Missionsdauer von zwei Jahren ausgelegte Mission von der ESA in den vergangenen Jahren bereits mehrfach verlängert. Am 18. Dezember 2014 gab das Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), welches maßgeblich an dem HRSC-Experiment beteiligt ist, bekannt, dass die Mars Express-Mission jetzt sogar bis zum Ende des Jahres 2018 verlängert wurde. Dies eröffnet – vorausgesetzt, dass die noch zur Verfügung stehenden Treibstoffvorräte für zwischenzeitlich notwendige Orbitkorrekturmanöver wirklich so lange ausreichen – speziell den an dem HRSC-Experiment beteiligten Wissenschaftlern hervorragende Perspektiven für ihre zukünftigen Arbeiten.

Mars Express umkreist unseren Nachbarplaneten auf einer langgestreckten und fast genau über die beiden Marspole verlaufenden Umlaufbahn. Für eine komplette Umrundung des Mars benötigt die Raumsonde dabei einen Zeitraum von etwa sieben Stunden. Optimalerweise wird der marsnächste Punkt dieser Umlaufbahn – die Periapsis – jeweils zu einer Zeit erreicht, in der auf der unter der Raumsonde liegenden Marsoberfläche gerade die Mittagszeit herrscht. Nur so kann die HRSC die Oberfläche unseres Nachbarplaneten aus ’nächster Nähe‘ und zugleich unter guten Beleuchtungsbedingungen abbilden.

Der derzeitige Orbitverlauf hat jedoch den Nachteil, dass Mars Express die Periapsis zu einem Zeitpunkt erreicht, an dem sich die Sonne über dem abzubildenden Oberflächenbereich nur wenige Grad über dem Horizont befindet, was sich in den letzten Monaten negativ auf die Anzahl der angefertigten Aufnahmen auswirkte. Erst ab dem Jahr 2015 werden die Zeiträume, in denen die HRSC die Oberfläche aus der Periapsis heraus auch wieder bei höheren Sonnenständen beobachten kann, wieder länger.

Durch die jetzt bekannt gegebene Missionsverlängerung ergeben sich außerdem neue Möglichkeiten für eine zukünftige ‚Kooperation‘ mit einer weiteren Marsorbitermission: Im Januar 2016 will die ESA im Rahmen ihres ExoMars-Programms den Trace Gas Orbiter (kurz TGO) starten, welcher dann neun Monate später den Mars erreichen soll. Nach seiner Ankunft soll der TGO in der Marsatmosphäre nach Hinweisen auf Methan und anderen Spurengasen suchen, welche auf aktive geologische oder gar biologische Prozesse auf dem Mars hindeuten könnten. Im Rahmen seiner wissenschaftlichen Zielsetzung soll der TGO zugleich auch nach möglichen ‚Austrittsstellen‘ dieser Gase auf der Marsoberfläche suchen.

Zu diesem Zweck wird der zukünftige Marsorbiter der ESA mit einer leistungsstarken Kamera namens CaSSIS (kurz für „Colour and Stereo Surface Imaging System“) ausgestattet sein. Wie die HRSC an Bord von Mars Express soll auch CaSSIS systematisch angefertigte Farb- und Stereoaufnahmen von der Marsoberfläche liefern, welche dabei allerdings noch bessere Auflösungen von bis zu fünf Metern pro Pixel erreichen sollen.

Idealerweise sind die HRSC und die CaSSIS-Kamera dabei zeitgleich aktiv und bilden die gleichen Ziele ab, denn durch die gegenseitige Überprüfung der gewonnenen Daten lässt sich unter anderem eine optimale Kalibrierung der beiden Instrumente erreichen. Außerdem ist es durch solche zeitgleichen Beobachtungen möglich, auf der Marsoberfläche registrierte Strukturen noch besser als bisher zu interpretieren. Somit dürfen sich die auf die Marsforschung spezialisierten Planetologen in den kommenden Jahren auch weiterhin auf eindrucksvolle Bilder freuen, welche aus dem Orbit des ‚Roten Planeten‘ heraus angefertigt werden.

Creative Commons
Aber auch die ‚einfachen Fans‘ dieser Marsbilder können sich freuen, denn seit dem 18. Dezember 2014 gelten für die Nutzung der Aufnahmen der HRSC-Kamera vereinfachte Nutzungsrechte, da alle drei an diesem Kameraexperiment beteiligten Partner – die ESA, das DLR und die FU Berlin – beschlossen haben, die Aufnahmen der HRSC unter einer Creative Commons-Lizenz zu veröffentlichen. Jeder potentielle Benutzer darf die HRSC-Aufnahmen somit zukünftig nach Belieben nutzen, bearbeiten und verbreiten oder zum Beispiel auch im Rahmen von öffentlichen Vorführungen verwenden, ohne dafür im Voraus eine ausdrückliche Genehmigung einzuholen, sofern der Nutzer diese Endprodukte ebenfalls unter eine freie Lizenz stellt. Außerdem müssen diese Produkte mit der Namensnennung „ESA, DLR, FU Berlin CC BY-SA 3.0 IGO“ versehen werden. Weitere Einzelheiten hierzu finden Sie in diesem Blog-Eintrag des DLR.

Ein Video vom Becquerel-Krater
Bei dem ersten HRSC-Bildprodukt, welches unter einer CC-Lizenz veröffentlicht wurde, handelt es sich um eine kurze Videosequenz, welche einen Überflug über den in der nördlich des Marsäquators gelegenen Region Arabia Terra gelegenen Becquerel-Kraters zeigt. Für die Anfertigung der Sequenz, welche von Mitarbeitern der Fachrichtung Planetologie an der Freien Universität Berlin erstellt wurde, wurden Aufnahmen der HRSC verwendet, die bereits vor mehreren Jahren während der Mars Express-Orbits 3253_1 (22. Juli 2006), 5332, 5350 und 5368 (26. Februar, 2. und 7. März 2008) angefertigt wurden. Aber auch die bereits zu früheren Zeitpunkten veröffentlichten Aufnahmen der HRSC stehen nachträglich unter der besagten Lizenz.
Eine ausführliche Beschreibung des 167 Kilometer durchmessenden Becquerel-Kraters, der sich unter anderem durch einen fast 1.000 Meter hoher Zentralberg auszeichnet, welcher sich aus mehreren hundert, jeweils nur wenige Meter dicken schwefelhaltigen Sedimentschichten zusammensetzt, finden sie unter anderem in unserem Newsarchiv über die Mission der Raumsonde Mars Express. Die animierten Überflugvideos über diese Region sind dagegen auf den entsprechenden Internetseiten des DLR, der FU Berlin und der ESA abrufbar.

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