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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Sag mir, wie du wackelst – und ich sage dir, wie alt du bist. Astronominnen und Astronomen haben mit der Asteroseismologie ein Werkzeug entwickelt, um Sternen intime Details zu entlocken. Die Sternenbeben verraten dazu, wie groß und schwer ein Stern ist und außerdem, wie viel Wasserstoff er in seinem Zentrum schon zu Helium verbrannt hat.

Mit der Asteroseismologie können Forschende regelrecht in Sterne hineinhören. Ähnlich wie Erdbeben auf der Erde uns verraten, was im Inneren der Erde los ist, verraten die Schwingungen von Sternen, wie ihr Inneres aufgebaut ist.

Franzi erzählt die Geschichte der Asteroseismologie – und wie das überhaupt funktioniert, die Schwingungen und Sternenbeben eines Objekts zu vermessen, auf dem wir garantiert nie einen Seismographen aufstellen werden.

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.

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• Asteroseismologie

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Lange war der Boden der Ozeane in weiten Teilen unerforscht: Forscherinnen und Forscher glaubten an eine flache und wenig interessante Wüste tief unter dem Meer, während Geologen sich komplett auf die Gesteine an Land konzentrierten. Denn die Kontinente galten den meisten ohnehin als unbeweglich.

Das änderte sich erst in den 1950er Jahren, als sich eine Reihe geophysikalischer Messmethoden durchsetzte. Echoortung mittels Sonar und seismische Messungen erlaubten eine Abtastung des Meeresbodens und der Gesteine darunter. In dieser Zeit begann die US-Geologin und Kartografin Marie Tharp am Lamont-Doherty Earth Observatory in New York City, die gewaltigen Datenberge der neuen Messgeräte auszuwerten. Ihre Tätigkeit war trotz ihrer Qualifikation die einer Assistentin. Doch Tharp schuf nicht nur die erste Karte des Atlantikbodens; sie entdeckte dabei ein 65.000 Kilometer langes Grabenbruchsystem, das den gesamten Planeten umspannt. Tharp gab mit dieser gewaltigen Entdeckung den Anstoß zur Entwicklung der modernen Plattentektonik.

Karl zeichnet in dieser Podcast-Folge das Wirken von Marie Tharp und ihrer Kollegen in Lamont nach, die zunächst gewaltige Widerstände unter den Geologen hervorrief. Als sich wenige Jahre später die Plattentektonik als akzeptierte Hypothese durchsetzte, geriet Maries Rolle in Vergessenheit.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban alle zwei Wochen 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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• Planet Erde
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Quelle: Institute of Science and Technology Austria (ISTA) 23. Februar 2023.

23. Februar 2023 – Die Erste auf ihrem Gebiet: Die Astrophysikerin Lisa Bugnet wird Teil des Institute of Science and Technology Austria (ISTA). Mit ihr erschließt das Institut ein neues Feld und ermöglicht zahlreiche interdisziplinäre Kooperationen. Ähnlich wie wir die Seismologie nutzen, um die Struktur der Erde zu erforschen, untersucht Bugnet mithilfe der Asteroseismologie die Magnetfelder von Sternen. So will die Forscherin mehr über Alter und Entwicklung von Sternen erfahren und schließlich unser Wissen über das ganze Universum erweitern.

Als Lisa Bugnet ein Kind war, ließ ihr Vater, ein Amateur-Astrofotograf, sie durch sein Teleskop schauen. Die schönen Bilder faszinierten sie, aber das war ihr nicht genug. „Ich wollte unbedingt wissen, was alles hinter den Bildern steckt“, erinnert sich Bugnet. Die Faszination aus Kindheitstagen wurde zu ihrem Leitstern. Nach ihrer Doktorarbeit am französischen Kommissariat für Atomenergie und alternative Energien (CEA) in Paris und zwei Postdoc-Jahren am renommierten Flatiron Institute in New York City, USA, hat ihre Neugier sie nun als Assistenzprofessorin an das Institute of Science and Technology Austria (ISTA) geführt – eine einzigartige Chance für junge Forscher*innen: „Meist tritt eine Astrophysiker*in in eine etablierte Physik- oder Astrophysikabteilung ein. Am ISTA habe ich die Ressourcen, um meine eigene Gruppe zu bilden, und die Freiheit, mich auf genau das zu konzentrieren, was mich interessiert“, erklärt Lisa Bugnet. Zudem ermöglicht der interdisziplinäre Charakter des Instituts die Zusammenarbeit mit Bereichen, die für die Astrophysik untypisch sind, wie z. B. den Geowissenschaften und maschinellem Lernen.

Mithilfe von Sternenbeben und Roten Riesen
Das Alter eines Sterns ist nicht nur wichtig, um seine Entwicklung nachvollziehen zu können, es liefert auch wesentliche Informationen über die Entwicklung der mit ihm verbundenen Galaxien sowie kleiner und großer astronomischer Strukturen. Jüngste Beobachtungen zeigen, dass die Rotation von Sternen langsamer ist als von den derzeitigen Modellen vorhergesagt. Das wirkt sich wiederum auf die Schätzung ihres Alters aus. Stellare Magnetfelder könnten der Schlüssel zur Erklärung dieses Phänomens sein, ist Bugnet überzeugt.

Die Erde hat bekanntlich ihr eigenes Magnetfeld – die atemberaubenden Polarlichter beispielsweise, sind nur eine der sichtbaren Auswirkungen. Auch viele der Sterne, die wir über uns sehen – einschließlich unserer Sonne – haben ebenfalls Magnetfelder. Doch noch verstehen wir sie zu wenig, um sie in Modelle der Sternentwicklung einzubeziehen. Hier kommen Lisa Bugnet und die Asteroseismologie ins Spiel. So wie die Seismologie Wellen nutzt, um die Zusammensetzung und Prozesse der verschiedenen Erdschichten zu verstehen, nutzt die Asteroseismologie die Schwingungen von „Sternenbeben“, um die Eigenschaften von Sternen aufzudecken. So konnten Wissenschafter*innen bereits die Struktur und Temperatur im Innern von Sternen beschreiben. Nun wird Bugnet mithilfe der Asteroseismologie stellare Magnetfelder untersuchen. Zurzeit konzentriert sie sich auf Rote Riesen, massearme Sterne in den späten Stadien ihrer Entwicklung. Aufgrund der zusammengezogenen Kerne dieser Sterne entstehen mehrere Arten von Wellen, die es Bugnet ermöglichen, die Magnetfelder in den inneren und äußeren Schichten des Sterns zu untersuchen.

Daten aus dem All
Die Daten, mit denen Lisa Bugnet von Klosterneuburg aus die Sterne untersucht, stammen von Weltraummissionen zur Entdeckung von Exoplaneten. Die wichtigste dieser Missionen ist die Kepler-Mission der NASA. In Zukunft wird das Projekt PLATO der Europäischen Weltraumorganisation wertvolle Daten sammeln, eine Mission, die in Kürze startet und deren Prozess zur Datenaufbereitung Bugnet mitentwickelt hat. Zusätzlich zu diesen internationalen Datenbanken arbeitet Bugnet mit Modellierungen und maschinellem Lernen, um die Gestirne zu erkunden. „Alles, was ich wirklich brauche, um in die Sterne und die Geschichte des Universums einzutauchen, ist mein Computer“, so die junge Forscherin.

Auf zu neuen Horizonten
ISTA-Präsident Martin Hetzer heißt die neue Assistenzprofessorin herzlich willkommen: „Mit der Ernennung von Lisa Bugnet begrüßen wir nicht nur unsere erste Astrophysikerin, sondern auch eine außergewöhnliche Wissenschafterin, deren Arbeit unser Verständnis der Sterne, einschließlich unserer eigenen Sonne, tiefgreifend beeinflussen wird.“ Ein zweiter Astrophysiker, Jorryt Matthee, wird im September 2023 als Assistenzprofessor Teil des ISTA. In seiner Forschung konzentriert er sich auf die Astrophysik von Galaxien, großräumigen Strukturen, die Bugnets sternbasierte Forschung ergänzen werden. Das Institut wirbt aktiv um weitere Astrophysiker*innen. Bereits auf dem Campus und ebenfalls mit einem Auge auf den Himmel ist Assistenzprofessorin Bingqing Cheng, deren Computational Materials Science Gruppe einen datengesteuerten Ansatz für die Chemie außerirdischer – und anderer – Umgebungen verwendet.

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• Institute of Science and Technology Austria (ISTA)

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Geologinnen und Geologen schauen sich gerne Steine an, und das nicht nur, wenn sie glitzern und funkeln. Denn Steine verraten etwas über das Erdinnere, in dem viele von ihnen entstanden sind. Die geologische Sammelwut im Namen der Forschung hat aber ihre Grenze: Die meisten Steine, die wir finden, stammen aus der Erdkruste, der vergleichsweise dünnen äußersten Schicht des Planeten. Nur sehr selten sind Gesteine aus tieferen Schichten. Wer bis in den Kern blicken möchte, muss dagegen lernen, die Signale der Erdbebenwellen zu verstehen.

In dieser Episode erzählt Karl Urban die Geschichte eines Menschen, dem es erstmalig gelang, bis hinab in den inneren Kern der Erde zu blicken. Es ist die Geschichte der dänischen Mathematikerin, Geodätin und Seismologin Inge Lehmann. Fast gleich alt wie die Physiker Albert Einstein oder Niels Bohr, forschte sie in und trotz einer wissenschaftlichen Welt, in der Frauen keine Rolle spielen durften.

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Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist der Podcast von Die Weltraumreporter, einem Magazin der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement die Weltraumreporter für 3,49 Euro pro Monat oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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