Kleinplaneten unter der Lupe

Planetoiden lassen sich nicht nur nach ihrem Aufenthaltsort, sondern auch nach Größe und Gestalt voneinander unterscheiden. Nur wenige Exemplare mit mehreren hundert Kilometer Durchmesser sind kugelähnlich. Die kleineren erinnern eher an eine Kartoffel oder Erdnuss. Etwa ein Kilometer große Körper können auch einer abgerundeten Doppelpyramide ähneln, wie neue Daten zeigen.

Die nähere Erforschung der Kleinplaneten ist häufig dem Katastrophenschutz zu verdanken. Denn Irrläufer könnten auf einen Kollisionskurs mit der Erde geraten. Würden sie frühzeitig entdeckt, ließen sie sich im Prinzip ablenken. Im September 2022 gelang es der NASA erstmals, die Bahn eines solchen Körpers zu ändern, indem sie die Sonde DART (Double Asteroid Redirection Test) gezielt auf den Minimond Dimorphos des erdnahen Planetoiden 65803 Didymos einschlagen ließ. Die Umlaufdauer des nur 170 Meter messenden Begleiters wurde dabei um 32 Minuten verkürzt – ein erster Erfolg für künftige Abwehrmaßnahmen (bdw 1/2023, „Attacke im All“). Kleinplaneten mit Monden sind übrigens gar nicht so selten. Kürzlich wurde ein dritter bei 130 Elektra fotografiert – ein neuer Rekord.

Der Kurs ist kompliziert (siehe Grafik „Kreuz und quer durchs Sonnensystem“.) Lucy, benannt nach dem Fossil eines vormenschlichen Australopithecus, wird als erstes den Hauptgürtel ansteuern. Dort soll die Sonde 52246 Donaldjohanson passieren, einen dunklen, kohlenstoffhaltigen Planetoiden von knapp vier Kilometer Durchmesser. Er trägt den Namen des Entdeckers des Lucy-Fossils. Während der fürs Frühjahr 2025 geplanten Passage sollen die Bordinstrumente getestet werden. Erst danach wird sich Lucy der Jupiterbahn und deren L4-Punkt nähern. Hier sind zwischen 2027 und 2028 acht enge Vorbeiflüge geplant – der erste an 3548 Eurybates und dessen Mond Queta. Danach geht es von der Jupiterbahn zurück zur Erde, um erneut Schwung zu holen. Dieses Novum in der Raumfahrt ermöglicht den Flug zum Punkt L5, um dort 617 Patroclus und seinen Begleiter zu untersuchen. Lucys reguläre Mission soll 2033 enden.[/su_box]

Mittlerweile sind den kleinen Planeten eine Vielzahl von Raummissionen gewidmet. So wurde DARTs Crashtest auch mit der Telekamera von Lucy verfolgt. Das eigentliche Ziel dieser US-Sonde besteht jedoch darin, im Vorbeiflug mindestens neun weitere Planetoiden zu erkunden – überwiegend gehören sie zu den Jupiter-Trojanern. Auf den Start, wohl Ende 2024, wartet noch die japanische Sonde Destiny+. Sie soll den sechs Kilometer großen Körper 3200 Phaethon passieren. Der Erdbahnkreuzer kann sowohl der Sonne als auch der Erde sehr nahekommen. An Bord wird unter anderem ein Staubdetektor der Universität Stuttgart sein.

Ebenfalls vorbereitet wird gegenwärtig eine NASA-Sonde namens Psyche. Sie soll in den Orbit um die geheimnisvolle 16 Psyche einschwenken. Der Name von Raumsonde und Planetoid nimmt Bezug auf die legendäre Königstochter, die als Gefährtin des Liebesgotts Amor schließlich unsterblich wurde. Der Planetoid ist ein unförmiger, stattlicher Brocken mit durchschnittlich 226 Kilometer Durchmesser. Er besteht aus verschiedenen Metallen und Silikatgestein. Das haben erdgebundene Beobachtungen mithilfe von Radarstrahlen ergeben, die von der Oberfläche ungleichmäßig reflektiert wurden. Die Sonde könnte ab Oktober 2023 starten.

Bereits auf der Rückreise zur Erde ist die NASA-Sonde OSIRIS-REx (bdw 10/2019, „Gefährliche Planetoiden im Visier“). Sie hat Bodenproben von 101955 Bennu an Bord. Der nur einen halben Kilometer große Körper wurde nach einer Gottheit der altägyptischen Mythologie benannt.

Fünf Gramm planetarer Urstoff

Schon einen Schritt weiter ist Japan mit Hayabusa2. Am 6. Dezember 2020 landete ihre Rückkehrkapsel am Fallschirm in einem ehemaligen militärischen Testgebiet in Südaustralien. Zuvor hatte die Sonde knapp 17 Monate lang den kaum einen Kilometer großen 162173 Ryugu umrundet. Dessen japanischer Name geht auf einen unterseeischen Korallenpalast des Drachengottes Ryūjin zurück. Zweimal sammelte Hayabusa2 Material von Ryugus Oberfläche ein und verstaute es in der Kapsel. Insgesamt gelangten 5,4 Gramm Probenmaterial zur Erde – ein großer Moment in der Planetenforschung. Bei Ryugu handelt es sich um einen kohlenstoffreichen Planetoiden. Dieser Typus ist wissenschaftlich interessant, weil er hauptsächlich aus unverändertem Material aus der Zeit der Planetenbildung besteht. Es war das zweite Mal, dass Proben eines Planetoiden zur Erde gebracht wurden. Beim ersten Mal, im Jahr 2010, war es ebenfalls die japanische Raumfahrtbehörde JAXA, der dieses Kunststück gelang – auch wenn es sich damals nur um 0,001 Millimeter große Partikel handelte. Sie stammen vom Planetoiden 25143 Itokawa und wurden am 12. September 2005 von der Sonde Hayabusa entnommen.

Die Erforschung von Planetoiden ist mit solchen Sample-Return-Missionen in eine neue Phase eingetreten. Messungen zur Zusammensetzung, Herkunft und Entwicklung der Kleinplaneten in irdischen Labors erlauben viel genauere Aussagen als die bisherigen Analysen an Bord von Raumsonden. Astronomen erhoffen sich davon auch Erkenntnisse für eine der größten Fragen der Wissenschaft: Wie ist das Leben auf der Erde entstanden?

Aus dem äußeren Sonnensystem

Das Ryugu-Material hat eine körnige, poröse Struktur. Wenngleich von unterschiedlicher Größe, von feinem Staub bis zum etwa acht Millimeter großen Steinchen, ähneln sich die Partikel. Auch sind sie chemisch homogen. Die Dichte beträgt 1,53 Gramm pro Kubikzentimeter. Das ist vergleichbar mit den Werten von Vertretern des Ivuna-Meteoriten-Typs – ein erster Fingerzeig auf die Verwandtschaft beider Himmelsobjekte.

Weitere chemische und mineralogische Analysen erhärteten diese Vermutung, wie ein Team um Shogo Tachibana von der Universität Tokio letztes Jahr in der Fachzeitschrift Science berichtete. Eine aktuelle Studie des internationalen Teams um Timo Hopp, der nun am Göttinger Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) forscht, behandelt ebenfalls die Frage nach dem Entstehungsort von Ryugu.

Heute zählt der Kleinkörper zu den erdnahen Objekten, die ihre Bahnen um die Sonne in ähnlichem Abstand wie die Erde ziehen. Doch das war nicht immer so: Man geht davon aus, dass solche Planetoiden vom Hauptgürtel zwischen Mars und Jupiter in unsere kosmische Nachbarschaft eingewandert sind. Der eigentliche Geburtsort einiger Körper des Hauptgürtels dürfte sogar noch sonnenferner liegen.

Messungen und Computersimulationen deuten darauf hin, dass insbesondere kohlenstoffhaltige Planetoiden wie Ryugu im äußeren Sonnensystem entstanden sind. Dies gilt auch für eine Reihe besonders dunkler Planetoiden des Hauptgürtels (siehe Kasten „Ceres und spektrale Doppelgänger“) und für die Meteoriten vom Typ der Kohligen Chondriten, die viel Kohlenstoff enthalten. Die meisten dieser Körper stammen wohl aus der Nähe von Jupiter und Saturn, einige Exemplare womöglich aus der Umgebung von Uranus und Neptun.

Planetares Baumaterial

Bereits in Japan war das außerirdische Material chemisch präpariert worden, danach reiste es zur University of Chicago, Hopps vormaliger Wirkungsstätte. Dort analysierte er es mit einem speziellen Massenspektrometer. Das Gerät von den Ausmaßen eines Kleinwagens arbeitet mit einem Argon-Plasma bei Temperaturen von 6000 bis 8000 Grad Celsius. Damit werden die chemischen Elemente in der Probe erst ionisiert und dann beschleunigt. Dies erledigt ein fast eine halbe Tonne schwerer Elektromagnet, der die Isotope entsprechend ihrer Massen aufteilt. Isotope sind Varianten desselben chemischen Elements, die sich geringfügig in ihrer Masse unterscheiden, weil die Zahl ihrer Neutronen in den Atomkernen variiert. Das Instrument kann Unterschiede in den Mengenverhältnissen bestimmter Isotope bis auf wenige Teile pro einer Million genau bestimmen.

Alle bisherigen Untersuchungen deuteten darauf hin, dass Ryugu und die Kohligen Chondriten Kinder des äußeren Sonnensystems sind. Ob der Planetoid jedoch aus der Umgebung von Jupiter und Saturn stammt oder in noch größerer Distanz das Licht der Welt erblickte, blieb bislang offen. Deshalb wandte sich Hopp den Eisen-Isotopen in den Ryugu-Proben zu. Man geht nämlich davon aus, dass in der Anfangszeit des Sonnensystems die Isotope mancher Elemente wie Eisen nicht gleichmäßig verteilt waren. Für die damals noch wachsenden Planeten gab es also Baumaterial mit unterschiedlichen Isotopenverhältnissen, abhängig davon, wo sie sich zusammen fügten. Heute, mehrere Milliarden Jahre später, lassen sich ihre Isotope immer noch wie Spuren lesen, die auf den Geburtsort verweisen (bdw 4/2022, „Die große Lücke“).

Für Hopps Analyse standen vier Proben von Ryugu zur Verfügung sowie zum Vergleich Material von 13 Meteoriten verschiedener Gruppen, die meisten kohlenstoffreich wie Ryugu. „Das Verhältnis bestimmter Eisen-Isotope zueinander ist ein hervorragender Marker, um einige dieser Gruppen hinsichtlich ihrer Entstehungsorte zu unterscheiden“, erläutert MPS-Direktor Thorsten Kleine, einer der Verfasser der Studie.

Wie sich nun gezeigt hat, sind diese Isotopen-Verhältnisse bei Ryugu deutlich anders als bei den meisten untersuchten Meteoriten – mit Ausnahme des Ivuna-Typs. Laut Hopp besteht eine auffällige Verwandtschaft zwischen Ryugu und diesen Meteoriten, von denen weltweit nur sieben Funde bekannt sind. „Unsere Messungen belegen, dass Ryugu und Meteoriten des Ivuna-Typs im selben Bereich des frühen Sonnensystems entstanden sind und dass dieser Bereich nicht der Entstehungsort anderer Kohliger Chondriten ist.“

Auch für Mitautor Andreas Pack von der Universität Göttingen spricht viel dafür, dass sowohl Ryugu als auch die Ivuna-Meteoriten Relikte urtümlicher Körper vom äußersten Rand des Sonnensystems sind. Hopp räumt allerdings ein, dass diese Annahme noch nicht von allen Kollegen geteilt wird.

Ryugus facettenreiche Geschichte

Die verwandtschaftlichen Verhältnisse beider Himmelskörper sind hingegen kaum strittig. Ein weiteres Indiz dafür sind die komplexen organischen Moleküle, die in den Hayabusa2-Proben entdeckt wurden. Dazu gehören auch 23 Aminosäuren. Im Ivuna-Typ-Meteorit von Orgueil, der 1864 in Frankreich vom Himmel fiel, sind es 24. Auch die Verteilung der Aminosäuren im Orgueil-Meteoriten und in Ryugu ist ähnlich.

Solche molekularen Bausteine des Lebens wurden zudem in einigen Kometen aufgespürt. Durch diese Funde erhalten Ideen weiteren Auftrieb, dass es bei der Entstehung des Lebens eine kosmische Starthilfe durch Kollisionen zwischen der Urerde und planetaren Kleinkörpern gab. Außerdem bestätigt die Analyse von Gasen, die in dem Probenmaterial enthalten sind, eine solche Verwandtschaft.

Ein internationales Team um Ryuji Okazaki von der Universität Kyushu in Japan hat dazu im Oktober 2022 aufschlussreiche Resultate publiziert. Unter anderem hatten die Forscher die Mengenverhältnisse von Isotopen der Edelgase Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon gemessen: Schrittweises Erhitzen trieb die Gase aus dem Probenmaterial – das Verfahren wird auch bei Meteoriten angewendet. Damit lässt sich ermitteln, wie lange die Ryugu-Krümel der Kosmischen Strahlung ausgesetzt waren. Denn diese setzt Kernreaktionen in Gang und ändert so die Isotopenverhältnisse. Der Effekt zeigt sich besonders gut bei seltenen Isotopen, etwa Neon-21. Damit konnten die Forscher das Bestrahlungsalter bestimmen und die jüngste Episode der Geschichte des Planetoiden entschlüsseln.

Ryugu hat eine facettenreiche Historie hinter sich (siehe Grafiken „Ruygus Geschichte“ und „Ryugus Planetentour“): Sein Ursprung liegt wohl im Umfeld von Uranus und Neptun, wobei er dort noch Teil eines eishaltigen Vorgängerkörpers mit vielleicht 100 Kilometer Durchmesser war. Dessen Minerale wurden schon bald durch chemische Reaktionen mit Wasser verändert. Denn auch weitab der Sonne war in solchen Urkörpern flüssiges Wasser vorhanden, entstanden aus Eis, das durch die anfängliche Zerfallswärme radioaktiver Elemente schmolz, beispielsweise Aluminium-26 (bdw 1/2022, „Wie Kleinplaneten groß wurden“). Womöglich entstanden bereits damals die Aminosäuren.

Das Wachstum und die Wanderschaft der Gas- und Eisriesen im frühen Sonnensystem katapultierten den Ryugu-Vorgänger in den Hauptgürtel der Planetoiden zwischen Mars und Jupiter. Dort wurde der Vorgänger bei einem oder mehreren Zusammenstößen mit anderen Planetoiden zerstört. Aus den Trümmern bildete sich dann ein sehr viel kleinerer Körper, der dem Planetoiden ähnelt, den Hayabusa2 besuchte. Milliarden Jahre lang blieb Ryugu im Hauptgürtel. Auf eine erdnahe Bahn gelangte er erst vor rund fünf Millionen Jahren – so interpretiert das Team um Okazaki das mit den Edelgasen gemessene Bestrahlungsalter. Hopp zufolge werden die Proben auch am Göttinger MPS weiter analysiert. Und die Mission von Hayabusa2 ist noch lange nicht vorbei: Sie soll im Jahr 2031 einen weiteren erdnahen Planetoiden ansteuern.

Kollision abgesagt

Unterdessen steht der nächste Höhepunkt bevor: die Rückkehr von OSIRIS-REx. Die Kapsel der Sonde soll am 24. September 2023 im US-Bundesstaat Utah landen – mit frischen Proben vom Planetoiden Bennu. OSIRIS-REx selbst hat danach noch einen weiteren Auftrag: ein Rendezvous mit 99942 Apophis. Auch dieser 340-Meter-Körper macht das erdnahe All unsicher. Seinen Namen erhielt er von der altägyptischen Gottheit des Chaos, was zu Kollisionsprognosen passte, die heute erfreulicherweise überholt sind. Denn Apophis wurde jahrelang als einer der gefährlichsten Planetoiden angesehen. Er wird am 13. April 2029 die Erde zwar in nur 32.000 Kilometer Abstand passieren, uns also näherkommen als die geostationären Erdsatelliten! Radarmessungen im März 2021 gaben jedoch für mindestens die nächsten 100 Jahre Entwarnung.

OSIRIS-REx soll Apophis ab 2029 aus der Nähe studieren und sogar etwas von seinem Untergrund freilegen. Die Daten werden dazu beitragen, eine wirksame Abwehr gegen solche langfristig bedrohlichen Himmelskörper zu entwickeln.