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Astronomie+Physik

Warum nur Kometenköpfe grün sind

Lovejoy
Auch Komet Lovejoy hatte eine grüne Koma. (Bild: John Vermette)

Zurzeit rast wieder einmal ein Komet durch das innere Sonnensystem – Komet C/2021 Leonard war zeitweise sogar mit bloßem Auge sichtbar. Auffallend bei ihm und vielen anderen Kometen ist die grünliche Färbung des Kopfes, die aber nie bis in den Schweif hinein reicht. Warum dies so ist und welche Rolle die Sonneneinstrahlung dafür spielt, haben Wissenschaftler nun aufgeklärt. Erstmals gelang es ihnen dabei, im Laborexperiment nachzuvollziehen, wie das aus zwei Kohlenstoffatomen bestehende Molekül C2, das für die Grünfärbung verantwortlich ist, erst durch die Sonneneinstrahlung entsteht, dann aber wieder zerfällt.

Kometen sind eisige Brocken vom fernen, dunklen Außenrand des Sonnensystems. Ihr Ursprung liegt im Kuipergürtel und in der Oortschen Wolke, weit jenseits des Neptuns. Diese aus Staub, organischen Molekülen und Eis bestehenden Objekte folgen exzentrischen Bahnen, die sie zwischen extremer Sonnenferne und dem Inneren Sonnensystem pendeln lassen. Wenn sich ein Komet dabei den wärmeren, stärker dem Sonnenlicht ausgesetzten Bereichen des inneren Sonnensystems nähert, bleibt dies nicht ohne Folgen: Durch die Sonnenwärme sublimiert das Eis und Ausgasungen reißen Staub und organische Moleküle ins All hinaus – dadurch entstehen der Kometenschweif und die um den festen Kern des Kometen liegende Hülle, die Koma.

Rätsel der grünen Koma

Von der Erde aus gesehen beginnen Kometen dadurch bei ihrer Annäherung an die Sonne immer heller zu leuchten, ihre Koma vergrößert sich und ihr Schweif wird sichtbar. Dabei leuchtet die Koma oft auffallend grünlich, während der Schweif weißlich bleibt. Kommt der Komet dann der Sonne noch näher, verliert er seine grüne Farbe jedoch wieder und die Koma wird weißlich. Schon länger gehen Wissenschaftler davon aus, dass die grüne Färbung auf ein bestimmtes Molekül zurückgeht: das aus zwei Kohlenstoffatomen bestehende Dikohlenstoff (C2). „Dieses Molekül findet sich in Flammen, Kometen, Sternen und dem diffusen interstellaren Medium“, erklären Jasmin Borsovszky von der University of New South Wales in Sydney und ihre Kollegen. In der Kometenkoma wird es dann gebildet, wenn organische Moleküle unter dem Einfluss der Sonneneinstrahlung zerfallen.

Schon in den 1930er Jahren schlug der Physiker Gerhard Herzberg auch eine Erklärung dafür vor, dass sich die vom Dikohlenstoff verursachte Grünfärbung bei Kometen nie bis auf den Schweif ausbreitet und in Sonnennähe auch aus der Koma verschwindet: Er postulierte, dass das Dikohlenstoff bei noch stärkerer Sonneneinstrahlung seinerseits zerfällt. „Aber diese Photodissoziation wurde nie direkt beobachtet und der Mechanismus dieses Zerfalls ist ungeklärt“, erklären die Wissenschaftler. Der Grund dafür ist die große Schwierigkeit, das hochreaktive Dikohlenstoff-Molekül im Labor herzustellen und ausreichend lange stabil zu halten. Doch dem Forscherteam ist dies nun gelungen. „Wir haben zunächst das Dikohlenstoff hergestellt, indem wir das größere Molekül Perchloroethylen, kurz C2Cl4 mit einem starken UV-Laser beschossen und ihm so seine Chloratome nahmen“, erklärt Borsovszkys Kollege Timothy Schmidt. Die erzeugten Dikohlenstoff-Moleküle wurden durch eine rund zwei Meter lange Vakuumkammer geleitet, wo sie erneut zwei UV-Laser passieren mussten. Dies sollte die Strahlung in Sonnennähe simulieren. Über Teilchendetektoren und Spektrometer gelang es dem Team, die Anregungs- und Bindungszustände der Moleküle zu erfassen.

Photodissoziation bestätigt

Die Messungen ergaben, dass das Dikohlenstoff tatsächlich bei einer gewissen Einstrahlung zerfällt. Den Messungen zufolge liegt die Dissoziationsenergie der beiden Kohlenstoffatome bei 602,804 Kilojoule pro Mol. „Um die Vierfachbindung des Dikohlenstoff mithilfe des Sonnenlichts zu brechen, muss das Molekül daher zwei Photonen absorbieren und zwei ‚verbotene‘ Übergänge durchlaufen“, berichten Borsovszky und ihre Kollegen. Wenn ein Komet sich etwa auf Höhe der Erdbahn befindet, liefert die Sonneneinstrahlung die nötige Energie und sorgt dafür, dass das Dikohlenstoff des Kometen zerfällt, wie das Team feststellte. „Damit haben wir den Mechanismus gefunden und bewiesen, dass Dikohlenstoff vom Sonnenlicht aufgebrochen wird“, sagt Schmidt. Nach rund 90 Jahren haben er und sein Team damit auch die Theorie von Herzberg bestätigt. „Es ist extrem befriedigend, ein Rätsel gelöst zu haben, das bis in die 1930er Jahre zurückgeht“, sagt Schmidt.

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Gleichzeitig beantworten diese Ergebnisse auch die Frage, warum nur die Koma der Kometen grünlich leuchtet, aber nie ihr Schweif. Den Tests zufolge dauert es rund 160.000 Sekunden, bis das Dikohlenstoff -Molekül unter Strahleneinfluss zerbricht. Spätestens zwei Tage nach seiner Entstehung ist das Molekül demnach wieder zerstört – zu schnell, um die Koma zu verlassen und bis in den Schweif vorzudringen. „Das erklärt, warum die grüne Koma schrumpft, wenn der Komet der Sonne näher kommt und auch, warum der Schweif des Kometen nicht grün ist“, sagt Schmidt.

Quelle: Jasmin Borsovszky (University of New South Wales, Sydney) et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, doi: 10.1073/pnas.2113315118

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