Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: MPIA, Spitzer, Nature.

Am 2. Januar 2004 passierte die NASA-Raumsonde Stardust den Kometen Wild 2 in einer Entfernung von 238 Kilometern. Dabei wurden Kometenstaubpartikel eingesammelt, welche mit einer Rückkehrkapsel am 15. Januar 2006 zur Erde gelangten. Nach dem Transport zum Johnson Space Center ergab eine erste, noch oberflächliche Sichtung, dass die Mission erfolgreich war. Bereits mit dem bloßen Auge konnten die Wissenschaftler 45 Staubpartikel sichten. Insgesamt fanden sich bei der anschließenden genaueren Untersuchung mehrere Tausend Partikel, deren Analyse letztendlich eine ältere Vermutung bestätigt hat. Untersuchungen von Kometen und Meteoriten haben bereits in den 1980ern ergeben, dass diese Objekte einen auffallend hohen Anteil an kristallinem Silikat aufweisen. Besonders hoch erschien dabei der Anteil an magnesiumhaltigen Forsterit, einem Mineral der Olivingruppe, welches auch in den aktuellen Materieproben von Wild 2 nachgewiesen werden konnte.

Damit stellte sich allerdings auch erneut die Frage, wie diese speziellen Silikate ihren Weg in das Innere von Kometen finden konnten. Zu ihrer Bildung benötigen kristalline Silikate eine extrem heiße Umgebung mit Temperaturen von mindestens 1.000 Grad Celsius. Kometen dagegen, so die gängige Theorie, bildeten sich in der Entstehungsphase unseres Sonnensystems in dessen kalten Außenbereichen. Das kristalline Silikat musste also in den inneren Regionen der protoplanetaren Scheibe erzeugt und anschließend innerhalb eines sehr kurzen Zeitraumes in deren äußere Bereiche transportiert worden sein. Wie genau entsteht dieses kristalline Silikat und wie gelangt es in die äußeren Bereiche einer protoplanetaren Scheibe? Die hierbei ablaufenden Prozesse haben jetzt Wissenschaftler aus Ungarn, Deutschland und den Niederlanden unter der Leitung von Péter Ábrahám vom Konkoly-Observatorium in Budapest mit Hilfe von Infrarotaufnahmen des Weltraumteleskops SPITZER entschlüsselt.

Das Beobachtungsobjekt hierfür war der Stern EX Lupi im Sternbild Wolf. Bei diesem Objekt handelt es sich um einen sehr jungen Stern, welcher unserer Sonne in ihrer jungen Phase vor über viereinhalb Milliarden Jahren sehr ähnelt. Gleichzeitig ist EX Lupi der Prototyp einer bestimmten Art von veränderlichen Sternen, den sogenannten EXors. EX Lupi weist zwei Merkmale auf, welche für viele noch sehr junge Sterne typisch sind. Zum einen ist er von einer sogenannten „protoplanetaren Scheibe“ umgeben. Dabei handelt es sich um eine Scheibe aus Staub und Gas, aus der sich nach dem heutigen Kenntnisstand der Wissenschaft in der Zukunft ein Planetensystem bilden wird.

Zum anderen zeigt der Stern etwa alle vier bis fünf Jahre einen über mehrere Monate anhaltenden starken Helligkeitsausbruch, der in einen Anstieg der Leuchtkraft um das fünf- bis Zehnfache gipfelt. Besonders heftige Ausbrüche können sogar den Faktor 100 erreichen. Der Grund für diese Ausbrüche liegt darin, dass die protoplanetare Scheibe infolge gravitativer Einflüsse in bestimmten zeitlichen Abständen instabil wird und dadurch größere Materialmengen auf den Stern stürzen.

SPITZER hatte bereits im Jahr 2005 während einer ruhigen Phase Infrarotaufnahmen von EX Lupi angefertigt. In den dabei gewonnenen Spektraldaten konnten keinerlei Anzeichen für die Existenz kristalliner Silikate entdeckt werden. Im April 2008 wurde der Stern erneut abgebildet, diesmal allerdings nur mehrere Monate nach dem Höhepunkt einer seiner Helligkeitsausbrüche. Das hierbei angefertigte neue Spektrum unterschied sich deutlich vom vorherigen. Zusätzlich zu den bereits zuvor registrierten amorphen Silikaten konnte man auch kristalline Silikate, unter anderem in Form von Forsterit, nachweisen.

Attila Juhász vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, einer der beteiligten Wissenschaftler, sagt dazu: „Wir sind vermutlich erstmals Zeugen des Kristallisationsprozesses geworden. Offenbar entstehen die Kristalle durch Aufheizen und Ausglühen der Silikatteilchen nahe der Oberfläche der inneren, dicken Staub- und Gasscheibe während der Helligkeitsausbrüche von EX Lupi. Beim Ausglühen wird das Material auf eine Temperatur erhitzt, bei der seine chemischen Bindungen aufgebrochen werden und neue, andersartige entstehen. Dadurch verändern sich auch die physikalischen Eigenschaften der Teilchen.“

Hiermit ergibt sich ein neuer Ansatz für das Verständnis der Entstehung der Kometenkristalle. Unmittelbar nach ihrer Bildung prägen die Kristalle dem beobachteten Spektrum ihr charakteristisches Merkmal auf. Sie befinden sich dabei noch an der Oberfläche der protoplanetaren Scheibe. Im Laufe der Zeit vermischen die Kristalle sich mit dem weiter innen liegenden Material und reichern es auf diese Weise bei jedem weiteren Ausbruch des Zentralsterns etwas mehr mit kristallinen Silikaten an. Solange das System noch relativ jung ist, sind die kristallinen Silikate nur während der Ausbrüche detektierbar, da sie sich lediglich an der Oberfläche der beobachteten protoplanetaren Scheibe konzentriert haben.

Bis zur Auswertung der neuesten Beobachtungen von EX Lupi hat man zwei Möglichkeiten zur Entstehung der kristallinen Silikate in Betracht gezogen. Zum einen könnte das Material im inneren Bereich der protoplanetaren Scheibe durch die Strahlungsabgabe des noch sehr jungen Sterns über einen längeren Zeitraum hinweg erhitzt worden sein. Dies allerdings steht jetzt durch die neuen Daten im Widerspruch zu der Tatsache, dass die zum Zeitpunkt der Inaktivität von EX Lupi durch SPITZER aufgenommenen Spektren keinerlei Anzeichen für kristalline Silikate aufweisen.

Die zweite Möglichkeit wäre, dass ein sich gerade innerhalb der Scheibe bildender Planet eine Schockwelle auslöst, welche kurzzeitig eine erhöhte Menge an Energie auf die Staubteilchen überträgt. Durch diese Energiezufuhr könnte sich dann die zur Kristallisation erforderliche Hitze entwickeln. Allerdings wäre zu erwarten, dass die dabei entstandenen Temperaturen sehr schnell wieder auf „Normalwerte“ absinken. Auch diese zweite Variante scheidet mittlerweile jedoch aus, da die Temperatur der beobachteten Kristalle zum Zeitpunkt von mehreren Monaten nach dem Maximum des Ausbruches immer noch wesentlich höher war als die Temperatur der Scheibe während des Ruhezustandes von EX Lupi.

Die Beobachtungen des Teams von Péter Ábrahám lassen sich somit mit keinem dieser beiden Szenarien vereinbaren. Dieser sagt dazu: „Wir kamen deshalb zu dem Ergebnis, dass ein dritter, bisher noch nicht in Betracht gezogener Prozess die Kristallisation durch Ausglühen bewirkt – nämlich die Aufheizung der amorphen Silikate durch den Helligkeitsausbruch des Zentralsterns. Während der aktiven, durch zahlreiche Ausbrüche gekennzeichneten Phase der jungen Sterne reichern sich die kristallinen Silikate in deren zirkumstellarer Scheibe an und gehen dann in die sich bildenden Kometenkerne ein.“

Michael Werner, Projekt-Wissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory (JPL), äußert sich dazu folgendermaßen: „Diese Beobachtungen zeigen zum jetzigen Zeitpunkt die Möglichkeit der Entstehung kristalliner Silikate auf, wie sie in Kometen und Meteoriten innerhalb unseres eigenen Sonnensystems aufgefunden wurden.“

Die Entstehung der kristallinen Silikate scheint somit geklärt. Aber wie gelangen diese aus der unmittelbaren Umgebung des im Zentum eines gerade entstehenden Sonnensystems befindlichen Sterns in dessen äußere Bezirke? Dazu wurden bereits in der Vergangenheit mehrere Prozesse in Erwägung gezogen, zum Beispiel eine Vermischung der jetzt kristallinisierten Staubkörner in der Mittelebene der protoplanetaren Scheibe. Eine weitere Theorie bringt das sogenannte „X-Wind-Modell“ ins Spiel. Hierbei sollen die Staubkörner von der Scheibenebene durch die Fliehkraft weggeschleudert und in die äußeren Bereiche der Scheibe getragen werden. Mit beiden Theorien lassen sich allerdings die erforderlichen Transportraten nicht vollständig erklären.

In der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift „Nature“ stellt jedoch Dejan Vinković von der Universität Split eine neue Studie vor. Von ihm durchgeführte Simulationsberechnungen deuten einen wesentlichen Beitrag der protoplanetaren Scheiben zum Strahlungsdruck an, welcher auf die Staubkörner einwirkt. Bis vor den Zeitpunkt der Erstellung dieser Untersuchung wurde alleine der Einfluss des Zentralsternes selbst berücksichtigt. Dieser allerdings wirkt dabei lediglich in radiale Richtung. Der Stern wäre hiermit also der alleinige Ausgangspunkt für den entstehenden Strahlungsdruck und die Staubkörner würden direkt in die protoplanetare Scheibe hinein befördert. Die Berechnungen Vinkovićs ergeben jedoch, dass die entstehende Infrarotemission der protoplanetaren Scheibe dem entgegen wirkt. Die Staubpartikel würden demzufolge der Oberfläche der Scheibe folgend nach außen strömen. Erst nachdem sie deren äußeren Bereich erreichen, gelangen sie in das Innere der protoplanetaren Scheibe und gehen dort in die Bildung der Kometenkerne ein. Der Grund hierfür ist, dass in den äußeren Bereichen der protoplanetaren Scheibe mit sinkenden Temperaturen auch die Infrarotemissionen abnehmen.

Allerdings trifft dieses Modell nur für solche Teilchen zu, welche über eine Größe von mindestens einem Mikrometer verfügen. Nur diese können so viel Energie von der protoplanetaren Scheibe aufnehmen, um anschließend in Richtung auf den äußeren Rand beschleunigt zu werden. Somit verbleibt letztendlich immer noch die Möglichkeit, dass die kleineren Teilchen, welche für die Bildung von Kometen allerdings zwingend erforderlich sind, durch die weiter oben erwähnte „Vermischung“ oder durch die sogenannten „X-Winde“ schneller nach außen befördert werden als die größeren Exemplare.

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Ein Beitrag von Michael Stein. Quelle: ESA.

Seit 1992 misst die europäische Raumsonde Ulysses den ständig durch unser Sonnensystem fließenden Strom von Sternenstaub – obwohl es vielleicht genauer ist davon zu sprechen, dass unser Zentralgestirn mitsamt allen übrigen Mitgliedern unseres Sonnensystems mit hoher Geschwindigkeit durch interstellaren Staub fliegt, der Bestandteil der lokalen galaktischen Wolke ist, durch die wir uns zur Zeit hindurchbewegen. Entsprechend unserer Reisegeschwindigkeit von 26 Kilometern pro Sekunde benötigt eines der winzig kleinen Staubkörner rund 20 Jahre, um unser Planetensystem zu durchqueren.

Das vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg gebaute Instrument DUST hat über Jahre die Größe, Geschwindigkeit und Einfallrichtung solcher interstellarer Partikel registriert, während Ulysses seine Bahnen um die Sonne drehte. Mehrere Wissenschaftler unter Leitung von Markus Landgraf am Max-Planck-Institut in Heidelberg haben bei der Auswertung der Messdaten festgestellt, dass die Dichte der Staubwolken, die sich durch unser Planetensystem hindurchbewegen, direkt mit dem Zustand des Magnetfeldes unserer Sonne zusammenhängt.

Wenngleich die Sonne von der Erde aus betrachtet mit bloßem Auge einen statischen Eindruck vermittelt, so ist sie tatsächlich doch ein sehr dynamischer Himmelskörper. So schwankt beispielsweise die Aktivität der Sonne, die sich in der Anzahl von „Sonnenflecken“, gigantischen Protuberanzen und anderen Erscheinungen ausdrückt, in einem elfjährigen Rhythmus (die Wissenschaftler sprechen von Minima und Maxima solarer Aktivität). Schon vor einiger Zeit haben Wissenschaftler festgestellt, dass unter anderem auch alle elf Jahre eine Umpolung des solaren Magnetfelds erfolgt: Aus dem magnetischen Nordpol der Sonne wird der Südpol und umgekehrt! Solche Vorgänge gibt es zwar auch beim irdischen Magnetfeld, allerdings liegt hier zwischen zwei Neuausrichtungen des Erdmagnetfelds nicht nur ein gutes Jahrzehnt wie bei der Sonne, sondern üblicherweise mindestens mehrere zehntausend Jahre.

Was aber hat das solare Magnetfeld mit dem interstellaren Staub zu tun? Die Daten von Ulysses zeigen, dass das weit in den umgebenden Weltraum reichende Magnetfeld der Sonne den Großteil des Sternenstaubs aus unserem Planetensystem heraushält, da diese Partikel zu einem nicht geringen Teil elektrisch geladen sind und somit durch Magnetfelder abgelenkt werden. Die Auswertung neuester Daten, die bis Ende letzten Jahres gesammelt worden sind, hat nun aber gezeigt, dass diese abschirmende Kraft während des letzten solaren Maximums um die Jahrtausendwende herum deutlich nachgelassen hat und deshalb dreimal mehr interstellarer Staub als vorher das Sonnensystem durchströmt. Ursache für die Schwächung des Magnetfelds der Sonne ist die alle elf Jahre während eines solaren Maximums erfolgende Magnetfeldumpolung, die schon deutlich vorher und nachher ein „ungeordnetes“, wenig strukturiertes und damit einhergehend auch schwächeres Magnetfeld zur Folge hat.

Doch dieser mit der Umpolung des Magnetfelds der Sonne einhergehende Anstieg der Staubkonzentration im Sonnensystem ist nicht noch nicht alles, was die Wissenschaftler entdeckt haben. Interessanterweise hat auch die Anordnung der magnetischen Pole unserer Sonne Auswirkungen auf die Ablenkung des interstellaren Staubs, wie Markus Landgraf gegenüber Raumfahrer.net erläuterte: „Der Grund dafür ist, dass während des ersten Minimums (z.B. 1995) der magnetische Nordpol am heliographischen Nordpol und der magnetische Südpol am heliographischen Südpol liegen. Im darauf folgenden Minimum ist es umgekehrt. Das solare Magnetfeld hat nun die Eigenschaft, elektrisch geladene Staubpartikel im ersten Minimum von der Sonnenäquatorialebene abzulenken und während des zweiten Minimums sie auf die Äquatorialebene zu fokussieren. Während der Sonnenmaxima ist die Polarität des Feldes so ungeordnet, dass es keinen Einfluss auf die Staubpartikel hat.“

Die jetzige Pol-Anordnung führt also einer verstärkten Durchleitung der elektrisch geladen winzigen Staubpartikel in die Bereiche des inneren Sonnensystems, so dass spätestens ab 2005, wenn das Magnetfeld der Sonne in den Zeiten geringer solarer Aktivitäten besonders gut und strukturiert ausgebildet ist, eine noch einmal deutlich höhere Staubkonzentration in unserem Sonnensystem vorhanden sein wird – es wird staubig…

Die direkten Auswirkungen der erhöhten Staubdichte bleiben allerdings gering: Wegen ihrer winzigen Masse und Größe – die einzelnen Partikel sind im Mittel nur ein hundertstel so groß wie der Durchmesser eines menschlichen Haares – werden die Planeten davon nicht beeinflußt. Allerdings werden sie aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit und Anzahl beim Aufprall auf Asteroiden und Kometen mehr Sekundärpartikel als gewöhnlich erzeugen, doch auch diese werden natürlich nur im mikroskopischen Bereich angesiedelt sein.

Der Beitrag Staubige Zeiten in Sicht erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von 16.11.2002 / Autor:. Quelle: Ohne Quellen.

Der Komet Tempel-Tuttle dreht auf einer stark elliptischen Umlaufbahn alle 33 Jahre seine Runde um die Sonne und lässt dabei eine Fahne aus Eis- und Staubkörnchen hinter sich. In den Jahren 1767 und 1866 flog er durch eine Region des Sonnensystems, in der er besonders viel Material verlor und durch die nun die Erde fliegt. Wenn die kleinen Mikrometeoriten in die Atmosphäre eindringen, erzeugen sie die beliebten Sternschnuppen. Jedoch hat das Spektakel auch einen negativen Aspekt: Satelliten und die Raumstation sind gefährdet, da sie ernsthaft beschädigt werden könnten.

Bekannt ist der Sternschnuppen-Schwarm auch unter dem Namen Leoniden, da die Lichtstreifen am Himmel aus dem Sternbild Löwe (Leo) zu kommen scheinen. Sie kehren jedes Jahr Mitte November wieder, in der die Erde die Bahn des Kometen Tempel-Tuttle kreuzt. Allerdings dürfte die Qualität des diesjährigen Ereignisses auf lange Zeit einmalig bleiben: Erst in etwa 100 Jahren, das prophezeien Astronomen, werde es erneut einen Leonidenschauer geben, der so gewaltig sei wie in diesem Jahr. Tatsächlich werden in Spitzenzeiten bis zu 2.000 Leuchterscheinungen pro Stunde am Himmel erwartet. Für den Himmelsbeobachter stellt lediglich der Mond einen Wehrmutstropfen dar: Am Tag des Höhepunkts des Leonidenschwarms ist er fast voll und dürfte wegen seiner Helligkeit viele Erscheinungen am Himmel überstrahlen. Jedoch dürfte sich ein nächtlicher beziehungsweise frühmorgendlicher Spaziergang trotzdem lohnen – wenn das Wetter mitspielt.

Doch die vielen winzigen Gesteinsbrocken stellen ebenso eine große Gefahr dar: Satelliten werden nicht durch die Atmosphäre geschützt, die jene zum verglühen bringt – sie sind dem Schwarm direkt ausgesetzt.

Die Kometentrümmerstücke bewegen sich mit 20facher Schallgeschwindigkeit, also mit mehr als 71 Kilometern pro Sekunde. Treffen diese auf empfindliche Instrumente von Raumfahrzeugen – wie Spiegel, Linsen und Solarpaneele – können sie größere Schäden anrichten. Doch neben der einfachen Zertrümmerung von Satelliten-Komponenten droht eine weitere Gefahr durch die Einschläge: Aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Mikrometeoriten verdampfen diese beim Einschlag und bilden Plasma, elektrisch geladenes und leitfähiges Gas, das bei der Elektronik an Bord des Satelliten zu Kurzschlüssen führen kann. Derzeit befinden sich etwa 700 aktive Satelliten im Erdorbit.

Bei den Satelliten der europäischen Raumfahrtagentur ESA richtet man aus diesem Grund vier Stunden vor dem erwarteten Höhepunkt des Bombardements die Raumfahrzeuge so aus, dass die Leoniden nur ihre ungefährdetste Seite treffen können. Zudem werden sie in eine Art künstliches Koma versetzt, um Kurzschlüsse durch Plasmawolken nach dem Einschlag zu unterbinden.

Auch für die Internationale Raumstation bilden die Leoniden eine potentielle Gefahr. Allerdings ist beim Bau aller Module eine mehrwandige Schutzhülle eingesetzt worden, die vor Meteoriten im Zentimeterbereich schützen. Trifft ein solcher auf die äußere Hülle, wird er in winzige Bruchstücke zerstäubt, die aufgefangen werden und keine Gefahr mehr bilden. Bei größeren Bruchstücken ist die Station zudem in der Lage, Ausweichmanöver zu fliegen.
Der Start von Raketen wurde aus Sicherheitsgründen weltweit auf einen Zeitpunkt nach dem Leonidensturm verschoben. Dies zeigt, dass die Kometenbruchstücke tatsächlich nicht zu unterschätzen sind. Gerade deshalb lohnt sich aber die Beobachtung des nächtlichen Himmels – sogar trotz dem hellen Mond.

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Ein Beitrag von franzschmied, bearbeitet von Star-Light Quelle: NASA JPL.

Stardust, ein Raumschiff der NASA, ist auf einer Mission erste Proben eines Kometen zu sammeln und sicher zur Erde zurückzubringen. Gestern begann die Raumsonde mit dem Sammeln der ersten festen Brocken, sogenannte interstellare Staubkörner, die die Galaxy durchdringen.

„Wenn du die Milchstraße in einer dunklen Nacht beobachtest, wirst du ein schwarzes Band erkennen, welches sich um das Zentrum erstreckt. Das Band ist interstellarer Staub, welcher das Licht von entfernten Sternen blockiert. Dies sind die Partikel, die Stardust sammeln wird,“ so Dr. Don Brownlee, ein Astronomie Professor.

Dieser Staub, der durch das Sonnensystem wie Wind bläst, ist aufgebaut auf Partikeln, die schmaler sind, als ein hundertstel eines menschlichen Haares. Die meisten Partikel bestehen aus Elementen des Periodensystems. Die Stardustmission wird versuchen diese kleinen Festkörper zu fangen, während es mit dem Strom mitfliegt.

Die Stardustmission wird sowohl alten als auch jungen Staub einsammeln. Kometen sind Klumpen, bestehend aus interstellaren Partikeln mit Eis, welche mehr als 4,5 Mrd. Jahre alt sind. Wenn das Raumschiff hinter Wild 2 fliegt, wird es Staub einsammeln der für Jahrmilliarden in Eis eingeschlossen war.

Interstellarer Staub könnte die Bausteine des Lebens – Kohlenstoff und andere organische Materialien – zur jungen Erde gebracht haben. Auch Kometeneinschläge mögen diese Materialen zur Erde transportiert haben. Brownlee erwartet daher eine Menge Kohlenstoff in den Staubkörnern zu finden. „Wenn sich erdähnliche Planeten bilden, könnten Kometen und interstellare Körner Kohlenstoff und organische Materialien auf dem Planeten freisetzen,“ so Brownlee.

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