Quelle: FWF Wissenschaftsfond.

Kometen werden oft als Fenster in die Zeit der Entstehung unseres Sonnensystems bezeichnet. Dabei gibt es Anzeichen, dass sie Materie enthalten, die sogar noch deutlich älter ist, wie Kometenforscher Günter Kargl erklärt: „Bei der Kometenmission Rosetta hat man Staubkörner gefunden, die über 4,5 Milliarden Jahre alt sind. In Planeten findet man so altes Material nicht.“ Der Staub in Kometen sei zum Teil noch eine Milliarde Jahre älter als die ältesten auf der Erde gefundenen Gesteine und wie in einer Zeitkapsel konserviert.

Weltraumsonden wie Rosetta, die 2014 den Kometen Tschurjumow-Gerassimenko besuchte und ihm zwei Jahre lang folgte, sollen diesen uralten Materialien auf die Spur kommen. Doch auch nach dem Erfolg der Rosetta-Mission, die viele neue Daten lieferte, sind Aufbau und Verhalten von Kometen immer noch nicht richtig verstanden. „Einige Messergebnisse von Rosetta waren für die Wissenschaft verwirrend“, sagt Kargl. „Das liegt daran, dass man gewisse Verhaltensmuster an der Oberfläche so nicht erwartet hat.“ Jetzt gehe es darum, die Abweichungen zu analysieren und die Modelle und Entstehungstheorien für Kometen an die neuen Erkenntnisse anzupassen.

Neue Laborversuche
„Um Kometen zu verstehen, braucht es ein Dreigespann an Zugängen: Messdaten von Kometenmissionen, mathematische Simulationen und Labor-Experimente“, sagt Kargl. Doch die Labor-Experimente, die geholfen haben, Rosetta vorzubereiten, sind nach der Mission nicht mehr aktuell. „Als bei der Präsentation der Rosetta-Ergebnisse immer neue Fragen auftauchten, sprach ich mit Kollegen darüber, dass es eigentlich nötig wäre, ein neues Laborprogramm aufzuziehen, nur eben mit Methoden der 2000er Jahre, mit besserer Messtechnik.“ Kargl initiierte daraufhin eine Zusammenarbeit zwischen Forschungseinrichtungen aus Deutschland, Österreich und der Schweiz, deren österreichischer Part vom Wissenschaftsfonds FWF finanziert und von Kargl geleitet wird. Das neue Projekt weckte die Aufmerksamkeit der internationalen wissenschaftlichen Gemeinschaft, seither sei das Interesse daran förmlich explodiert, berichtet Kargl. „Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Berlin ist eingestiegen, das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung aus Göttingen, aber auch die Chinese Academy of Science and Technology.“ Alle diese Institute sind auf eigene Kosten dabei und steuern auch Equipment bei.

Wie Zigarettenasche
Bei Laborversuchen mit Kometen-Material gebe es mehrere Herausforderungen, erläutert der Grundlagenforscher: „Zwangsläufig verwendet man im Labor nicht Material, das von Kometen kommt, sondern muss sich Analog-Materialien suchen. Diese haben nicht den Zweck, das Material eins zu eins abzubilden, sondern müssen für gewisse Prozesse ähnliches Verhalten zeigen.“ Das ist umso schwieriger, als die Konsistenz des Materials sehr stark variieren kann. „Frisches oder sehr trockenes Material von Kometen kann fast so locker wie Zigarettenasche sein. Durch Wärme und andere Prozesse, kann es aber auch so fest wie Beton werden. Es gibt eine unglaubliche Bandbreite“, erklärt der Forscher.

Eines der Ziele des Projekts ist es, einen Standard für andere Laborversuche mit Kometen-Material zu entwickeln. Die Vergleichbarkeit der Ergebnisse verschiedener Teams sei nämlich derzeit nicht gegeben. „Wir wollen hier einen Standard schaffen. Für Mars und Mond hat die Nasa dafür gesorgt, dass es gewisse Standards gibt“, sagt Kargl. Wenn also ein Labor Bedingungen auf dem Mars untersuchen will, kann es auf Richtlinien zurückgreifen, wie Mars-Material auszusehen hat. „Für Kometen gibt es das noch nicht. Diese Lücke wollen wir schließen“, so der Forscher.

An den Grenzen der Physik
Der Fahrplan des seit zwei Jahren laufenden Projekts sieht vor, mit kleineren Experimenten eine Basis zu schaffen und eine Handvoll größerer Experimente vorzubereiten, die in einer großen Vakuumkammer der Projektpartner am Institut für Geophysik und extraterrestrische Physik der Technischen Universität Braunschweig durchgeführt werden sollen. Viele kleinere Experimente wurden bereits durchgeführt und es gibt bereits interessante Ergebnisse, wie Kargl erklärt: „Wir sind mit einem Experiment in Graz in einen Bereich vorgedrungen, wo wir an die Grenzen der Physik stoßen. Es geht um den Gasfluss durch poröse Kometen-Materialien.“ Derzeit gebe es zwei verschiedene physikalische Modelle, um solches Verhalten zu beschreiben, doch keines bilde die Situation zufriedenstellend ab. „Beide Modelle brechen in dem Bereich zusammen“, sagt Kargl. Das Experiment liefert hier Daten, die auch außerhalb des eigentlichen Forschungsgebietes von Interesse sind.

Eine weitere Aufgabe des Teams um Kargl ist der Bau eines Penetrometers. Das ist ein Stab, der in der Vakuumkammer von Braunschweig angebracht werden soll und ins Eis gedrückt werden kann, um die Festigkeit zu messen. Ein Team mit Kargl baute auch bereits für Rosetta ein solches Gerät. „Wir gehören zu den wenigen, die hier Erfahrung haben“, so Kargl.

Corona als Hindernis
Doch derzeit sorgt die Corona-Krise für ungewohnte Komplikationen. Manche der Experimente werden deshalb so adaptiert, dass Forschergruppen aus anderen Ländern online darauf zugreifen und sie steuern können. Das Projekt selbst ist dadurch nicht gefährdet, in Kürze steht das erste Groß-Experiment in der Braunschweiger Vakuumkammer an, das über mehrere Wochen laufen soll. Mit dem erst kürzlich entdeckten „Neowise“ ist aktuell wieder ein Komet mit freiem Auge auf dem Nachthimmel sichtbar. Noch immer ist nicht genau geklärt, wie und warum Gas und Staub aus dem Kometen austreten, um dessen typischen, spektakulären Schweif zu bilden. Doch schon bald könnten neue Erkenntnisse unser Verständnis der alten Himmelskörper bereichern.

Zur Person
Günter Kargl ist Weltraumforscher am Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Der studierte Geophysiker und Astronom ist Lektor an der Universität Graz und interessiert sich für experimentelle und Laborarbeit, insbesondere für die Entwicklung von Messgeräten für die Raumfahrt.

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• Kometen

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Erstellt von Roland Rischer. Quelle: NASA, JHUAPL, SwRI

Bislang sind weniger als die Hälfte der Daten über das Pluto-System zur Erde übertragen. Aber bereits jetzt wird die enorme Bandbreite neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse sichtbar. So äußerte sich sinngemäß Alan Stern, Leiter des New-Horizons-Forschungsteams am US-amerikanischen Southwest Research Institute in Boulder, Colorado, unlängst auf der Herbsttagung der American Geophysical Union in San Francisco. Selbst wenn man Alan Stern und die vielen anderen, mit New Horizons-Daten befassten Forscher nicht persönlich kennt, kann man aus ihren Stellungnahmen und Zitaten auch nach einem halben Jahr noch entnehmen, dass sie ihr Glück kaum fassen können. Nicht nur die Technik der Sonde funktionierte nach neuneinhalb Jahren des Anflugs im entscheidenden Augenblick des kurzen Vorbeiflugs tadellos (sieht man von der überraschenden Aktivierung des Sicherheitsmodus zehn Tage vor der nächsten Annäherung ab). Zum Forscherglück gehört auch, was man dann seitdem mit fast jedem übertragenem Bild vom Pluto zu sehen bekommt: Eine überraschend erdähnlich Welt, wenn man davon absieht, dass alles um über 200 Grad Celsius kälter ist, mit vergleichsweise jungen Oberflächenstrukturen.

Das eine oder andere hätte man sich denken können
Obwohl – es gab schon so eine Ahnung, zumindest kann man das bei Dr. Orkan Umurhan, einer der Wissenschaftler im New Horizons-Team „Geology and Geophysics Investigation“ (GGI) und Astrophysiker mit Spezialgebiet protoplanetare Scheiben, herauslesen. Er wurde bereits vor zwei Jahren von Alan Stern und Jeff Moore (Leiter des GGI-Teams) mit der Aussicht angeworben, mit Pluto und Charon eine Welt analysieren zu können, wie er sie noch nie zuvor gesehen habe. Konkret ging es im Vorstellungsgespräch um das Verhalten verschiedener Elemente in gefrorener und möglicherweise auch flüssiger Form bei Temperaturen und Drücken.

Im Nachhinein wundert sich Umurhan selbst, warum er und alle anderen um ihn herum so überrascht waren. Denn bereits vorher wusste man, dass der Triple-Punkt für Kohlenmonoxid und Stickstoff auf dem Pluto aufgrund der dortigen Tiefsttemperaturen von rund minus 230 Grad Celsius im Bereich des Möglichen lag. Der Triple-Punkt oder auch Dreiphasenpunkt bestimmt in einem Temperatur-Druck-Diagramm jene Kombination, bei der ein Element sowohl fest als auch flüssig oder gasförmig vorliegt.

Ein Schlüssel zum Verständnis vieler geologischer Aktivitäten auf Pluto liegt nach Überzeugung der Forscher in der Rolle der mächtigen Schicht aus Stickstoff-Eis und anderen gefrorenen und dennoch flüchtigen Gasen (Methan und Kohlenmonoxid), die die linke Seite von Plutos „Herz“ ausmachen, eine ausgedehnte Ebene von 1.000 Kilometern Durchmesser mit dem informellen Namen Sputnik Planum. Der in der Ebene verdunstende Stickstoff schlägt sich in den umgebenden höheren Regionen nieder und fließt in Gletschern zurück in die Ebene. Der Prozess formt die Pluto-Landschaft bis heute. Umurhan arbeitet an einer modellhaften Reproduktion einzelner Landschaftsformen unter diesen Bedingungen.

Dabei müssen etliche Annahmen getroffen werden. Basis sind unter anderem Laborergebnisse zum Fließverhalten von Stickstoff unter solchen Temperaturen. Schneller als Gletschereis auf der Erde, aber doch noch so langsam, dass die Fließgeschwindigkeit in Dutzenden von Jahren gemessen werden muss. Laborversuche sind nach Umurhans Worten keineswegs eine ausreichende Basis zur Parameterbestimmung. Hinzu komme, dass zwar die vorkommenden Elemente und Verbindungen an der Oberfläche (Stickstoff, Kohlenmonoxid und Methan) in und um Sputnik Planum zuverlässig bestimmt werden konnten, aber noch nicht deren relativen Anteile. Das ist für die Bestimmung der Viskosität (oder Zähflüssigkeit) durchaus von Bedeutung. Zudem werde nur angenommen, dass das Hochland aus extrem harten Wassereis besteht, quasi der „Felsengrund“, der von einer dünnen Schicht aus Stickstoff- und/oder Kohlenmonoxid-Eis überzogen ist.

Alles in Bewegung
Sputnik Planum liegt einige Kilometer unterhalb der umgebenden Berge. Man darf sich das Planum aber nicht als perfekte Ebene vorstellen. Im Licht der tiefstehenden Sonne zeigt sich, dass sich die Polygone (oder Zellen) mit 16 bis 40 Kilometer Durchmesser zur Mitte um bis zu rund 100 Meter aufwölben. Das überwiegend aus Stickstoff bestehende Eis in der Ebene scheint zusätzlich, vergleichbar mit den Vorgängen im Erdmantel, einer langsamen Wärmekonvektion unterworfen zu sein, weil es in vermutlich mehreren Kilometern Tiefe wärmer ist als an der Oberfläche. Fester Stickstoff wird elastisch, steigt in großen Blasen auf, kühlt aus und sinkt erneut ab.

William McKinnon von der Washington Universitiy in St. Louis und stellvertretender Leiter des NH-Geologen-Teams vergleicht das mit einer Lavalampe. Die Grabenbrüche zu den Nachbarzellen markieren jene Stellen, an denen der an der Oberfläche abgekühlte, aber immer noch zähfließende Stickstoff wieder absinkt. Hier wäre zu klären, ob das ganz spannungsfrei erfolgt oder, angelehnt an die Plattentektonik auf der Erde, es zu Verspannungen kommt, die zu Beben führen.

Die auf Sputnik Planum zu erkennenden Muster aus den zahlreichen, ca. 10 Meter tiefen Gruben, die sich teilweise in die Länge ziehen, seien möglicherweise die Folge punktuell starker Sublimation von Stickstoff und eventuell auch Methan.

Alan Howard von der University of Virginia in Charlottesville, USA, ist Mitarbeiter im New Horizons-Team „Geology, Geophysics and Images“ und resümiert, es seien Nachweise ausgedehnter glazialer Aktivitäten sowohl in der Vergangenheit als auch in der Gegenwart gefunden worden, einschließlich ganzer Netze von erodierten Tälern, teilweise auch sogenannte hängende Täler, bei denen das Tal an einer Cliff-Kante abbricht und sich an tieferer Stelle fortsetzt. „Pluto hat unsere Erwartungen hinsichtlich der Vielfalt von Landschaften und geologischen Prozessen erheblich erweitert – Prozessen, die bis heute anhalten“, so Alan Howard.

Faszinierende Atmosphäre
In den letzten Monaten kamen von New Horizons auch Daten zu den atmosphärischen Dunstschichten, die Pluto bis in mehrere hundert Kilometer Höhe umgeben. Das Wissenschaftsteam geht nun mehreren Fragen zur Pluto-Atmosphäre nach: Wo entsteht der Dunst, warum bildet er Schichten und wie verändern sich diese um den Pluto herum.

„Wie fast alles auf Pluto erweist sich der Dunst auf Pluto erheblich komplizierter als gedacht“, stellt Andy Cheng, New Horizons Co-Investigator am John Hopkins University Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland. „Aber mit den bereits jetzt vorhandenen, ausgezeichneten New Horizons-Daten erwarten wir bald ein besseres Verständnis.“

So glauben die Wissenschaftler, dass der Dunst das Ergebnis fotochemischer Reaktionen des Methans und anderer Moleküle mit dem Sonnenlicht ist. Ergebnis sind Kohlenwasserstoffe, Acetylen und Ethylen, die sich zu Partikeln im Mikrometer-Bereich verbinden und im Sonnenlicht als leuchtend blauer Dunst erscheinen.

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