Quelle: DLR 29. Mai 2024.

29. Mai 2024 – Erst eine kleine und dann sogar noch eine große Überraschung: Als nach dem Vorbeiflug der NASA-Raumsonde Lucy am kleinen Asteroiden Dinkinesh am 1. November 2023 die ersten Bilder zur Erde übertragen waren, tauchte hinter dem 720 Meter großen Asteroiden ein Mond auf. Zwar hatte das Wissenschaftsteam vorab die Möglichkeit gesehen, dass Dinkinesh einen Begleiter haben könnte, denn die mit irdischen Teleskopen aufgezeichneten Lichtkurven zeigten eine Unregelmäßigkeit, die darauf hindeutete. Doch nun war der Trabant real. Dann kamen noch mehr Fotos und bei deren Betrachtung war das Erstaunen groß: Der Dinkinesh-Mond besteht aus zwei Teilen, er ist ein sogenannter Kontakt-Binärkörper, im Englischen contact binary. Die beiden sich berührenden Trabanten haben Durchmesser von 210 und 230 Metern und umkreisen Dinkinesh während knapp 53 Stunden in 3,1 Kilometer Entfernung. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist an der Entdeckung beteiligt.

„Das Lucy-Wissenschaftsteam sammelt seit Januar 2023 Daten über Dinkinesh mithilfe von Teleskopen. Zu diesem Zeitpunkt wurde Dinkinesh zu unserer Liste der Ziele hinzugefügt“, sagte Simone Marchi, stellvertretender Leiter des Lucy-Wissenschaftsteams am Southwest Reasearch Institute in Boulder, Colorado (USA). „Wir dachten dank der Teleskopdaten, wir hätten ein recht gutes Bild davon, wie Dinkinesh aussehen würde. Aber dann waren wir begeistert, so viele unerwartete Entdeckungen zu machen!“ Der Begleiter von Dinkinesh trägt inzwischen den von der Internationalen Astronomischen Union (IAU) auf Vorschlag des Lucy-Teams verliehenen Namen (152830) Dinkinesh I Selam. „Es ist das erste Mal, dass eine solche Konstellation beobachtet wurde“, freut sich Dr. Stefano Mottola vom Institut für Planetenforschung am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Mitglied des Lucy-Wissenschaftsteams. Gemeinsam mit Frank Preusker, ebenfalls vom DLR-Institut für Planetenforschung, ist er für die photogrammetrische Auswertung der Bilddaten und der Berechnung von digitalen Geländemodellen zur Bestimmung der Form der drei beobachteten Körper zuständig.

In Vorbereitung des Vorbeiflugs beschäftigte sich Stefano Mottola intensiv mit den Lichtkurven des um seine Achse rotierenden und dabei das Sonnenlicht unterschiedlich stark reflektierenden Asteroiden. „Der Verlauf dieser Lichtkurven war für einen normal rotierenden Körper ungewöhnlich“, so Mottola weiter. „Ein Begleiter von Dinkinesh war deshalb denkbar. Aber dass es ein Doppelkörper, ein ‚contact binary‘ sein würde, hat uns total überrascht“. Die Ergebnisse des Lucy-Vorbeiflugs wurden jetzt im Wissenschaftsmagazin Nature veröffentlicht. Lucy ist eine Mission im Discovery-Programm der NASA, die am 16. Oktober 2021 gestartet ist. Ihr Hauptziel sind Asteroiden auf der Jupiterbahn, sogenannte Trojaner, die dem Planeten an zwei Librations- oder Lagrangepunkten 60 Winkelgrad vorauseilen beziehungsweise nachfolgen. Mehrere davon werden zunächst 2027 und 2028 untersucht werden, und noch einmal ab 2033 beobachtet werden. Die Mission ist nach einem drei Millionen Jahre alten fossilen Skelett eines Urmenschen benannt, das 1974 in Äthiopien ausgegraben wurde.

Idealer Techniktest mit „wissenschaftlichem Begleitprogramm“
Ursprünglich war 2023 kein Asteroiden-Vorbeiflug geplant. Doch Dr. Raphael Marschall, Mitglied im Lucy-Team, suchte intensiv nach einer Vorbeifluggelegenheit im inneren Asteroiden-Hauptgürtel und war im Januar 2023 erfolgreich. Der damals noch als 1998 VD 57 bezeichnete Asteroid erhielt im gleichen Jahr den Amharischen Namen Dinkinesh („Du bist fabelhaft“) und würde mit geringen Bahnänderungen einen Nahvorbeiflug in 431 Kilometer Distanz ermöglichen. Vor allem konnte er in einer Fluggeometrie erfolgen, die ähnlich den geplanten Asteroiden-Vorbeiflügen während der eigentlichen Mission bei den Trojanern des Jupiter sein würde. Das eröffnete die Möglichkeit, das Terminal-Tracking-System zu testen, also die finale, autonome Erfassung der Entfernung zu den Asteroiden und dadurch ein optimale Zielen darauf. Außerdem konnten die Instrumente von Lucy einem echten experimentellen Test unterzogen werden. Sowohl die wissenschaftlichen als auch die technischen Ziele wurden vollumfänglich erreicht.

Der Vorbeiflug mit Lucy erfolgte in einer Geschwindigkeit von 4,5 Kilometern pro Sekunde relativ zu Dinkinesh in einer Erdentfernung von rund 470 Millionen Kilometern. Wegen der langen Datenlaufzeit zur Erde von 26 Minuten war eine Steuerung der Manöver in Echtzeit nicht möglich. Alle Abläufe wurden zuvor programmiert und liefen vollautomatisch ab. Die mit der L’LORRI-Kamera aufgenommenen 48 Bilder zeigen Details von 10 bis 2,2 Metern pro Bildpunkt (Pixel).

Kleiner Asteroid mit komplexer Vergangenheit
Dinkinesh präsentiert sich darauf als überraschend komplexer Kleinkörper. Am auffallendsten ist eine Furche, die sich auf der fotografierten Seite Dinkineshs zu beiden Seiten des Äquators in Richtung der Pole erstreckt, sowie ein wulstartiger Bergrücken entlang des Äquators. Der längliche Trog wird als sichtbarer Beweis für den Ursprung der begleitenden Binärkörper interpretiert. Das Material, das dort fehlt, wurde bei einem strukturellen Bruch von Dinkinesh herausgerissen, bildete zunächst einen Ring um den Planetoiden, aus dem die beiden Teilkörper von Selam entstanden. Die Ausbeulung entlang des Äquators könnte durch übriges Material entstanden sein, das aus dem Ring zurückgefallen ist.

Das Lucy-Team diskutiert in der jetzt erschienenen Publikation aber auch Varianten dieses Szenarios. Allen Interpretationen liegt ein besonderer Effekt zugrunde, der bei kleinen Asteroiden von weniger als fünf Kilometer Durchmesser eine interessante Rolle spielt: der sogenannte YORP-Effekt. Er ist benannt nach den Anfangsbuchstaben der Wissenschaftler Yarkovsky, O’Keefe, Radzievskii und Paddack, die das Konzept vorhergesagt, berechnet und später auch gemessen und bewiesen haben: Sonnenlicht erwärmt die Oberfläche und regt damit das Emittieren von Wärmestrahlung an. Die Photonen der – auch noch in der „Asteroidennacht“ – emittierten Infrarotstrahlung üben trotz winzigster Masse ein kleines Momentum auf eine Oberfläche aus, was über viele Jahrmillionen Veränderungen bei der Orientierung der Rotationsachse und/oder der Rotationsgeschwindigkeit bewirkt. Dem YORP-Effekt wird eine bedeutende Rolle bei der Entstehung von Begleitern kleiner Asteroiden beigemessen – wie es auch bei der Entstehung von Selam der Fall gewesen sein könnte.

Dinkinesh gehört zur Klasse der S-Typ-Asteroiden, die im Vergleich zu den viel häufigeren, kohlenstoffreichen C-Typ-Asteroiden einen deutlich höheren Anteil an eisen- und magnesiumhaltigen Silikatmineralen haben. Etwa 17 Prozent aller Asteroiden gehören dem Typ S an. Sie sind im inneren Teil des Asteroidengürtels, in etwa einhundert Millionen Kilometern jenseits der Bahn des Planeten Mars, dominant und mit zunehmender Sonnentfernung seltener anzutreffen. Asteroiden vom Typ S haben eine relativ hohe Dichte von durchschnittlich drei Gramm pro Kubikzentimeter. Die Dichte von Dinkinesh wurde auf 2,4 Gramm pro Kubikzentimeter berechnet, was darauf hindeutet, dass der Asteroid porös ist und zwischen seinen Partikeln Lücken von bis zu einem Viertel des Gesamtvolumens hat.

Publikation
Harold F. Levison et al.: A Contact Binary Satellite of the Asteroid (152830) Dinkinesh. Nature (2023) DOI: 10.1038/s41586-024-07378-0
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07378-0
pdf: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07378-0.pdf

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• Lucy auf Atlas V von CC SLC-41

Der Beitrag DLR: Überraschende Beobachtung im Asteroiden-Hauptgürtel erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: DLR.

15. Oktober 2021 – Am Samstag, dem 16. Oktober 2021, wird um 11.34 Uhr MESZ eine ungewöhnliche NASA-Mission mit einer Atlas-Trägerrakete von Cape Canaveral ins Sonnensystem aufbrechen. Ziel der Mission „Lucy“ sind die Trojaner-Asteroiden, die sich auf der Jupiterbahn befinden. Sie unterscheiden sich vermutlich deutlich von den Planetoiden im Asteroiden-Hauptgürtel zwischen Mars und Jupiter. Asteroiden gelten als Zeitzeugen der Entstehung von Planeten und können Aufschluss über die Entwicklung der Planeten unseres Sonnensystems geben. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist an der Mission wissenschaftlich beteiligt.

„Lucy“ wird nach einer mehrjährigen Reise zum ersten Mal sogenannte „Trojaner-Asteroiden“ besuchen. Das sind kleine Planetoiden, die ihren Platz im Sonnensystem vor über vier Milliarden Jahren in zwei Regionen auf der Bahn des Jupiter gefunden haben. Im Gegensatz zu den vielen Hunderttausenden Asteroiden im Hauptgürtel zwischen Mars und Jupiter wird vermutet, dass es sich bei diesen Körpern in mehr als 700 Millionen Kilometern Entfernung zur Sonne um Asteroiden handelt, die ihren Ursprung jenseits der Jupiterbahn haben. „Das macht diese ‚Zeitkapseln‘ für eine genauere Untersuchung sehr interessant“, freut sich Dr. Stefano Mottola vom DLR-Institut für Planetenforschung auf die Mission, an der er wissenschaftlich beteiligt ist. „Wir erhoffen uns bedeutende neue Kenntnisse über die früheste Zeit des Sonnensystems und die Entstehung der Planeten.“

Allerdings benötigt das 14-köpfige wissenschaftliche Kernteam dafür einiges an Geduld. Denn nach dem Start wird Lucy, die „Wunderbare“ nach einem Wort in einem äthiopischen Dialekt und benannt nach dem „Urmenschen“, einem drei Millionen Jahre alten fossilen Skelett, das 1974 in Äthiopien ausgegraben wurde, auf einer verschlungenen Bahn durch das innere Sonnensystem erst 2027 die Trojaner-Asteroiden auf der Jupiterbahn erreichen. Zuvor wird sie im April 2025 den vier Kilometer großen Hauptgürtel-Asteroiden Donaldjohanson passieren, der den Namen von einem der beiden Entdecker des „Urmenschen“ Lucy trägt.

Die beim Start etwa anderthalb Tonnen schwere Raumsonde führt drei wissenschaftliche Instrumente mit sich, mit denen die Zielasteroiden fotografisch erfasst, sowie ihre chemischen-mineralogische Zusammensetzung und physikalische Parameter mit verschiedenen Spektrometern ermittelt werden.

Lucy ist die 13. Mission der sehr erfolgreichen NASA-Discovery-Klasse, spezialisierten und vergleichsweise kleinen und organisatorisch „schlanken“ Raumsonden. Die wissenschaftliche Leitung liegt bei Hal Levison und Cathy Olkin vom Southwest Research Institute in Boulder im US-Bundesstaat Colorado. Das Goddard Spaceflight Center der NASA in Greenbelt (Maryland) steuert die Mission.

Das DLR ist mit Dr. Stefano Mottola vom Berliner Institut für Planetenforschung als Mitglied des Wissenschaftsteams von Lucy beteiligt. Mottola wirkte auch maßgeblich an den Missionen Rosetta, Dawn und Hayabusa2/MASCOT mit. „Während der Missionsvorbereitung zu Lucy war mein Schwerpunkt die Untersuchung der Zielkörper mit erdgestützten Teleskopen, um von ihnen Lichtkurven zu erhalten“, erklärt Mottola eine seiner Aufgaben im Team. „Durch diese Beobachtungen können wir die Vorbeiflüge optimieren“. Im Laufe seiner Karriere war Mottola an der teleskopischen Entdeckung von Hunderten von Asteroiden beteiligt. „Außerdem werden wir nach der Ankunft durch Berechnungen von Körperformen, Bildmosaiken, Atlanten und der Kartierung von Helligkeiten und Zusammensetzung die Mission begleiten. Aus den Daten der Navigationskameras wird dann die genaue Gestalt der Asteroiden abgeleitet.“ Ferner wird Dr. Martin Pätzold von der Universität Köln, gefördert von der Raumfahrtagentur im DLR, über die Auswertung des Funkverkehrs (Rot- und Blauverschiebung, also Dehnung und Stauchung der Funkwellen durch den Doppler-Effekt) Masse und Aufbau der Asteroiden untersuchen.

Jupiter, seine „Trojaner“ und die „Hellenen“
Bei den Trojanern handelt es sich um eine besondere Gruppe von Asteroiden, kleine Körper bis zu 250 Kilometer Durchmesser, die in Regionen angesiedelt sind, die auf der Jupiterbahn dem Planeten in einem festen Abstand vorauslaufen beziehungsweise nachfolgen. Es sind die Positionen im Raum eines Zweikörpersystems – wie hier eben Sonne und Jupiter –, an denen sich Anziehungs- und Fliehkräfte die Waage halten. Die insgesamt fünf Punkte, von Lagrange-1 (L1) bis Lagrange-5 (L5), sind nach dem italienisch-französischen Astronomen und Mathematiker Joseph-Louis de Lagrange (1736-1813) benannt.

Zwei dieser Lagrange-Punkte, L4 und L5, sind immer stabil und bilden ein gleichschenkliges Dreieck mit 60-Grad-Winkeln zu Sonne und Jupiter. In der realen Welt befinden sich die Trojaner beziehungsweise Hellenen nicht genau auf diesen beiden Punkten, sondern umkreisen sie in unterschiedlichen Entfernungen, sodass sie quasi eine Wolke von Asteroiden bilden. Heute sind knapp zehntausend dieser Objekte bekannt, es werden aber, wie im Asteroiden-Hauptgürtel, bis zu einer Million von ihnen vermutet. Diese sind aber wegen ihrer dunklen Oberfläche und geringen Größe sehr schwer mit Teleskopen zu entdecken. Die Internationale Astronomische Union (IAU) hat noch eine weitere Anleihe bei der Ilias, der berühmten antiken Sage des Homer, die den Kampf um Troja zum Inhalt hat, genommen: Sie bezeichnete die dem Jupiter vorauslaufenden Asteroiden als Lager der „Hellenen“ mit den Namen der griechischen Helden. Dementsprechend wurden die hinterherlaufenden Asteroiden als „Trojaner“ benannt, mit den Namen der Heroen aus der kleinasiatischen Stadt. Da inzwischen alle in der Ilias auftauchenden Namen an Trojaner-Asteroiden vergeben sind, werden neu entdeckte Körper von der IAU jetzt nach modernen ‚Helden‘ benannt, großen Athleten der Olympischen und Paralympischen Spiele der Neuzeit.

Es ist das erste Mal, dass Körper, die an Lagrange-Punkten entlang einer Planetenbahn um die Sonne kreisen, Besuch von einer Raumsonde bekommen. Jupiter selbst spielt bei der Mission keine Rolle: Er wird in beiden Missionsphasen viele hundert Millionen Kilometer von Lucy entfernt sein. In der Planetenforschung hatten die Trojaner-Asteroiden seit Jahren als neues Ziel höchste Priorität: Die Forscher vermuten, dass diese Trojaner im Gegensatz zu den Hauptgürtel-Asteroiden weniger mit den Körpern des inneren Sonnensystems gemein haben, sondern mehr mit den äußeren Regionen unseres Planetensystems.

Denn mit Jupiter, dem größten Planeten des Sonnensystems, beginnt das Reich der Gasplaneten und ihrer Eismonde. Noch weiter von der Sonne entfernt, jenseits des Neptun, erstreckt sich das Ursprungsgebiet der Kometen, jenen Körpern aus Staub und Eis, die ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Entstehung und Entwicklung des Sonnensystems spielten. Es ist die Zone der „transneptunischen Objekte“, zu denen auch Pluto gezählt wird. So wie die Hauptgürtel-Asteroiden Reste der Bildung der vier erdähnlichen Planeten sind, dürften die Jupiter-Trojaner Überbleibsel des Ausgangsmaterials der äußeren Planeten sein, mit Ursprüngen in ganz unterschiedlichen Sonnenentfernungen.

Ins ‚Heerlager‘ der Hellenen, zurück zur Erde – und dann zu den Trojanern
Am Ziel angekommen im Reich der L4-Asteroiden, den ‚Hellenen‘, wird Lucy die Asteroiden Eurybates (August 2027) mit dem erst letztes Jahr vom Lucy-Team entdeckten Mond Queta, Polymele (September 2027), Leucus (April 2028) und Orus (November 2028) aus der Nähe untersuchen. Anschließend wird Lucy wieder zurück ins innere Sonnensystem zur Erde gelenkt – ein Novum in der Geschichte der Raumfahrt. Dort wird die Raumsonde mithilfe eines sogenannten „Gravity-Assist-Manövers“ zum L5-Punkt gelenkt, wo Lucy im ‚Trojanerlager‘ den Asteroiden Patroclus mit seinem binären Begleiter Menoetius erreichen wird. Die nominelle Mission ist dann zu Ende, doch wenn noch Treibstoff und für den Missionsbetrieb notwendige Ressourcen vorhanden sind, könnte die Mission verlängert werden: Lucy würde dann nochmal zur Erde zurückkehren um am Ende des Jahrzehnts erneut in die Asteroidenwolke am L4-Punkt zu fliegen.

Bedeutung der Asteroiden-Forschung
Die Untersuchung der kleinen Körper im Sonnensystem hat in den vergangenen Jahrzehnten zunehmend an Bedeutung gewonnen. Asteroiden und Kometen sind in den meisten Fällen fast oder kaum veränderte Zeugen der Planetenentstehung vor etwas mehr als viereinhalb Milliarden Jahren. Je weiter sie von der Sonne entfernt entstanden sind und sich noch heute befinden, um so weniger waren sie dem Einfluss der Sonne ausgesetzt und haben sich deshalb nur wenig verändert. Viereinhalb Milliarden Jahre sind ein nach menschlichen Maßstäben nur schwer vorstellbarer langer Zeitraum, doch ist es der Planetenforschung in der letzten Zeit immer besser gelungen, die Vorgänge in den ersten Millionen Jahren, nachdem sich die Sonne vor 4,567 Milliarden Jahren gebildet hat, zu rekonstruieren. Die Planeten bildeten sich damals verblüffend schnell, in nur wenigen Millionen bis Zehnermillionen Jahren. Diese Zeit war entscheidend für ihre weitere Entwicklung und drückt sich in der Verschiedenartigkeit der Planeten und ihrer Monde aus. Weil sie sich aber seither allesamt stark verändert haben, ermöglichen nur noch Asteroiden und Kometen einen Blick zurück in jene Zeit, um die Vorgänge genau entschlüsseln zu können.

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Lucy auf Atlas V von CC SLC-41

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