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Astronomie+Physik Erde+Klima

Die Vagabunden im Sonnensystem

Zwischen Mars und Jupiter schwirren Hunderttausende Planetoiden. Die sehr verschiedenartigen Himmelskörper haben etwas gemeinsam: ihre gewalttätige Geschichte.

Mr. Spock meidet die Sonne. Niemals nähert er sich ihr mehr als auf das 2,8-Fache des Abstands von Erde und Sonne. Und wenn er die 3,3-fache Distanz erreicht, kehrt er um. Sein Weg folgt einer Ellipse. „Exzentrisch“ nennen Fachleute dieses Verhalten. Keine Angst, Sie lesen nicht den falschen Artikel! Hier erfahren Sie nichts über das Raumschiff Enterprise. Vielmehr geht es um kleine Planeten, sogenannte Planetoiden oder Asteroiden. Mr. Spock ist einer von ihnen, 1971 wurde er aufgespürt. Der Brocken mit 21 Kilometer Durchmesser erhielt diesen Namen von seinem Entdecker, dessen Kater angeblich so hieß.

Die Internationale Astronomische Union (IAU), zuständig für die himmlische Namensvergabe, änderte daraufhin ihre Regularien: Namen nach Haustieren sind seitdem unerwünscht. Kommerzielle Bezeichnungen, also auch nach Filmhelden, waren bereits zuvor tabu. Der volle Name lautet übrigens „(2309) Mr. Spock“. Die vorangestellte Nummer erhielt der Planetoid, nachdem seine Bahn bestimmt war, was mehrere Jahre gedauert hatte. Und Mr. Spock ist nicht allein: Inzwischen sind über 162 000 Planetoiden durchnummeriert.

Überbleibsel der Planetenbildung

Das klingt viel – und lange hielt sich deshalb die Theorie, die Planetoiden seien die Trümmer eines zerborstenen Planeten jenseits der Marsbahn. Diese These ist längst passé. Der hypothetische Planet wäre winzig gewesen: Alle Kleinplaneten bringen zusammen weniger auf die Waage als der Erdmond. Heute gehen Wissenschaftler davon aus, dass Planetoiden aus planetarem Baumaterial bestehen. Bei der Entstehung der Welten unseres Sonnensystems sind sie schlicht übrig geblieben.

„Bisher war jede einzelne Mission zu den Planetoiden für Überraschungen gut“, sagt Alan Harris vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). „Noch vor 15 Jahren war die herrschende Meinung: Planetoiden sind wie Felsbrocken – hat man einen gesehen, dann kennt man alle.“ Doch seit den Neunzigerjahren konnten sich die Wissenschaftler ein detaillierteres Bild vor Ort verschaffen. Nach vier Vorbeiflügen durch NASA-Sonden und einer Umkreisung mit anschließender Landung sind einige Exemplare recht gut erforscht. Die meisten umrunden die Sonne zwischen Mars und Jupiter, im sogenannten Hauptgürtel der Planetoiden. Einige haben diesen heimatlichen Gürtel jedoch verlassen. Störkräfte, etwa durch das Sonnenlicht (bild der wissenschaft 1/2004, „Bomben aus dem All“) lenkten sie nach und nach ins innere Sonnensystem. Diese Population nennen Forscher „ Near Earth Objects“, kurz NEOs. Ein solches Exemplar, (25143) Itokawa, war das Ziel der ersten japanischen Planetoiden-Sonde: Hayabusa (japanisch: „Falke“). Für einen Sonnenumlauf benötigt Itokawa 554 Tage, seine elliptische Bahn kreuzt die der Erde. Im Herbst 2005 erreichte Hayabusa das Ziel. Eine Umkreisung war nicht vorgesehen, denn die Missionsplaner misstrauten der geringen Schwerkraft Itokawas. Der bananenförmige Mini-Planetoid – sein größter Durchmesser beträgt nur 535 Meter – könne Hayabusa nicht auf einen stabilen Orbit zwingen, befürchteten sie. Stattdessen bezog die Falken-Sonde eine Beobachtungsposition in 20 Kilometer Entfernung. Die Oberfläche, zeigten Fotos, besteht aus vielen glatten und staubigen Regionen. Zahllose große Felsblöcke liegen verstreut herum. Und es gibt ein paar Krater.

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Kosmische Geröllhaufen

„Wir wissen es noch nicht mit letzter Sicherheit, aber das sieht genauso aus, wie wir uns einen Rubble Pile vorstellen“, kommentiert Alan Harris die gestochen scharfen Fotos von Itokawa. „Rubble Pile“ ist Planetologen-Jargon und bedeutet Geröllhaufen. Momentan ist diese Vorstellung zwar noch eine Hypothese. Aber die Astronomen sammeln schon seit einigen Jahren mehr und mehr Anzeichen dafür, dass manche Planetoiden solche Geröllhaufen sind. Harris erklärt: „Bei Kollisionen wurden sie einst völlig zerstört, und die Fragmente fügten sich später durch ihre gegenseitige Schwerkraft wieder locker zusammen.“

Sollte sich diese Hypothese bestätigen, wäre Hayabusa das erste Porträt eines derartigen fliegenden Geröllhaufens gelungen. Ein Indiz dafür ist Itokawas geringe Dichte. Sie beträgt knapp zwei Gramm pro Kubikzentimeter. Spalten und Hohlräume im Gefüge des planetaren Körpers, wie sie typisch für einen Rubble-Pile-Planetoiden sind, könnten den Wert leicht erklären. Andere Verhältnisse herrschen wohl bei Vesta und Ceres. Diese beiden schwersten Planetoiden, die sich im Hauptgürtel bewegen, sind bereits seit Anfang des 19. Jahrhunderts bekannt. Beide stehen auf dem Flugplan von Dawn („Dämmerung“). Die 357,5 Millionen US-Dollar teure und 1108 Kilogramm schwere NASA-Sonde wurde am 27. September 2007 ins All geschossen. 2011 wird sie in eine Umlaufbahn um Vesta einschwenken und vier Jahre später Ceres erreichen. Die Ziele von Dawn sind gut gewählt: Geologisch sind die beiden Schwergewichte völlig verschieden. Wie Hayabusa fliegt auch Dawn mithilfe von Ionentriebwerken, die von Solarzellen mit Energie versorgt werden. Als Treibstoff dient das Edelgas Xenon, 425 Kilogramm stehen den drei Düsen zur Verfügung. Die NASA verlangt dem gewichtssparenden Antrieb einiges ab: Über 2000 Betriebsstunden sind vorgesehen, um Dawn mit stetig sanftem Druck zu ihren Zielplanetoiden zu fliegen. Den Einschuss in die jeweiligen Umlaufbahnen um Vesta und Ceres übernehmen herkömmliche chemische Bordtriebwerke.

eIN 13 000 Meter tiefer Krater

Im Vorfeld der Mission versuchen Wissenschaftler, möglichst viel über Dawns Planetoiden herauszufinden. So nahm letztes Jahr das Hubble-Weltraumteleskop Vesta ins Visier. Obwohl die Bilder recht unscharf sind, zeigen sie noch 60 Kilometer große Details, darunter auch einen bereits bekannten Einschlagkrater. Sein Durchmesser erreicht mit rund 450 Kilometern fast denjenigen von Vesta selbst. Er klafft 13 Kilometer tief im Boden der Südhemisphäre. Vermutlich entstand er bei einer gewaltigen Kollision vor einigen Milliarden Jahren, bei der rund ein Prozent von Vesta abgesprengt und ins All geschleudert wurde. Astronomen konnten mehr als 50 kleinere Planetoiden identifizieren, die vermutlich Relikte dieser kosmischen Karambolage sind.

Zu ihnen gehört auch das Hauptgürtel-Exemplar Braille, an dem 1999 die NASA-Sonde Deep Space 1 vorbeiflog. Leider versagte damals die Bordkamera. Diesmal soll es besser laufen. Vestas südlicher Riesenkrater wird zu den ersten Zielen der beiden Dawn-Kameras gehören. Sie stammen vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS). Samt der zugehörigen Elektronik wiegen die Instrumente jeweils fünf Kilogramm. Bis zu 200 Kilometer dicht werden sie an die Oberfläche herankommen – das reicht für hochauflösende Porträts. In sieben verschiedenen Wellenlängen, zwischen 430 und 980 Nanometern, werden sie Vestas Landschaften farbig ablichten.

Im Hauptgürtel genießt Vesta eine Sonderrolle: „Manche Planetenforscher bezeichnen sie als den kleinsten terrestrischen Planeten“, so MPS-Direktor Christensen. Die Indizien dafür lieferte eine spezielle Meteoritengruppe, die HED-Meteoriten, zu denen die sogenannten Howarite, Eukrite und Diogenite gehören. „ Man deutete sie als Bruchstücke von Vesta, denn ihre Infrarotspektren ähneln denen des Planetoiden“, erklärt der Forscher. Planetologen gehen davon aus, dass es auf Vesta einst Vulkanismus gab. Die chemische Analyse der Steine zeugt von einer frühen Aufschmelzung ihres Mutterkörpers. Beweise für die Verbindung zwischen Vesta und HED-Meteoriten zu liefern, ist eines der Ziele von Dawn. Die vergleichsweise kleine Vesta – ihr Durchmesser beträgt rund 500 Kilometer – hatte wohl einst einen flüssigen metallischen Kern. Sehr ungewöhnlich für einen so kleinen Körper, findet Christensen, der Mitglied des wissenschaftlichen Dawn-Teams ist. Der Kern dürfte allerdings längst abgekühlt und erstarrt sein.

Dunkler Zwerg aus Urzeiten

Ceres ist völlig anders. Seine geringe Dichte von knapp 2,1 Gramm pro Kubikzentimeter deutet auf leichtere Stoffe in seinem Innern hin (Vestas Dichte beträgt 3,7 Gramm pro Kubikzentimeter). Vielleicht sind die schwereren Substanzen zu seinem Zentrum gesunken und die leichteren in Mantelschichten darüber verblieben. Im Ceres-Kern vermuten die Forscher Silikatgestein, weiter oben Schichten aus Wassereis. Manche Theoretiker – etwa der Franzose Christoph Sotin – gehen noch weiter: Sie halten eine Zone aus flüssigem Wasser unterhalb der Oberfläche für denkbar. Das wurde letztes Jahr auf der Europlanet-Konferenz in Potsdam berichtet. „Es sind bloß Ergebnisse von Modellrechnungen“, kommentiert Alan Harris skeptisch. Er sieht in Ceres eher einen primitiven Körper, der keine komplette Trennung seiner inneren Stoffe durchgemacht hat.

Was für Pluto eine Degradierung war, bedeutete für Ceres einer Beförderung: Die Einstufung als Zwergplanet durch die IAU. Historisch gesehen war er immerhin der erste Planetoid, der den Astronomen ins Netz ging, und zwar schon 1801. Mit über 900 Kilometer Durchmesser ist er zwischen Mars und Jupiter der größte Himmelskörper. „Ceres ähnelt unserer Vorstellung von einem großen Planetesimal“, sagt Harris. So bezeichnen Experten die ersten Körper in der scheibenförmigen Urwolke, die durch Kollisionen miteinander schließlich zu den Planeten heranwuchsen. Was wird Dawn bei Ceres wohl vorfinden? „Eine dunkle Oberfläche mit Einschlagkratern“, nimmt Harris an. „Die Mineralien an der Oberfläche von Ceres ähneln denen von kohligen Chondriten, einer kohlenstoffreichen Meteoritenklasse.“

160 Millionen Jahre alte Familie

Doch zwischen den Planetoiden gibt es nicht nur gewaltige Unterschiede. Manche haben auch auffallend ähnliche Bahnen. Solche „Familien“ besitzen einen gemeinsamen Ursprung: Sie entstanden bei Kollisionen größerer Objekte. Viele Planetoiden des Hauptgürtels lassen sich derartigen Familien zuordnen. Kürzlich gelangte (298) Baptistina in die Schlagzeilen. Nach einem Artikel im Wissenschaftsmagazin „nature“ ist das Schicksal des 40-Kilometer-Brockens auf dramatische Weise mit der Erde verknüpft. Folgt man den Computer-Simulationen der Forscher der Prager Karls-Universität und dem SwRI (Southwest Research Institute in Boulder, Colorado), so entstand die Baptistina-Familie vor etwa 160 Millionen Jahren. Damals wurde ihr Mutterkörper bei einem Crash in Stücke gerissen, wonach etwa 300 Fragmente von über 10 Kilometer Durchmesser auf ähnlichen Bahnen um die Sonne schwirrten.

Rund zwei Prozent der größeren Brocken gerieten später auf Kollisionskurs mit der Erde, wo deutlich mehr Planetoiden einschlugen als zuvor. „Vor etwa 100 Millionen Jahren erreichte die Einschlagrate ihr Maximum“, sagt David Nesvorny vom SwRI. Die prominentesten Fälle: Der Mondkrater Tycho, dessen Alter auf 108 Millionen Jahre geschätzt wird, und der Chicxulub-Krater in Mittelamerika. Diesen unter mächtigen Sedimenten verborgenen 180-Kilometer-Krater bringen viele Forschern mit dem Aussterben der Saurier in Verbindung, eine Katastrophe, die rund 65 Millionen Jahre zurückliegt.

Die Erforschung der Kleinplaneten geht weiter. Nach der Erkundung Itokawas hat die japanische Spähsonde in einem gewagten Manöver versucht, Oberflächenstaub einzusammeln. Und eine Rückkehrkapsel an Bord hat die Aufgabe, die Probe zur Erde zu bringen – 2010 soll sie in Australien landen. Ob das von technischen Pannen gestörte Manöver glückte, ob also wirklich Itokawa-Staub an Bord gelangte, ist noch unklar. Immerhin hat die gebeutelte Sonde nun wieder einen Erdkurs eingeschlagen. Doch Probleme im Antrieb und bei der Lagekontrolle plagen die Ingenieure der japanischen Raumfahrtagentur JAXA weiter. Gäbe es eine glückliche Heimkehr, wäre das eine grandiose Premiere. Denn bislang konnte kein Forscher Planetoiden-Proben im Labor untersuchen.

Schon in diesem Jahr wird die ESA-Sonde Rosetta auf dem Weg zum Kometen 67P/ Churyumov-Gerasimenko in den Hauptgürtel eindringen. Ihr Ziel ist der Planetoid (2867) Steins. Chemisch gilt er als ein Verwandter des Neuschwanstein-Meteoriten, über den bdw in Heft 1/2004 berichtete. Letztes Jahr starrte Rosettas Kamera bereits 24 Stunden lang auf Steins. Dabei registrierte sie einen Lichtpunkt, dessen Helligkeit im 6-Stunden-Rhythmus schwankte. Mit solchen Beobachtungen können Experten nicht nur die Rotationsdauer ermitteln, sondern auch die Gestalt des Brockens abschätzen. Wenn Rosetta Anfang September 800 Kilometer dicht am Planetoiden vorbei fliegt, werden sie noch mehr darüber wissen. ■

THORSTEN DAMBECK berichtet in bdw regelmäßig über das Sonnensystem, zuletzt in Heft 12/07 über Kometen. Der promovierte Physiker arbeitet in Heidelberg.

Von Thorsten Dambeck

kompakt

· Die Planetoiden unterscheiden sich stark in Größe, Form und Zusammensetzung.

· Wahrscheinlich sind etliche dieser Kleinplaneten bei Kollisionen zerstört worden und haben sich anschließend wieder locker zusammengefügt.

· Zurzeit nehmen Raumsonden die Relikte aus der Frühzeit des Sonnensystems genau ins Visier.

Mehr zu Wissen

Internet

Das Minor Planet Center: www.cfa.harvard.edu/iau/mpc.html

Das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung: www.mps.mpg.de/

Dawn-Mission: dawn.jpl.nasa.gov/

Rosetta-Mission: www.dlr.de/rosetta/www.esa.int/esaMI/Rosetta/

Hayabusa-Mission: www.isas.jaxa.jp/e/enterp/missions/ hayabusa/index.shtml

Mission Deep Space 1: nmp.nasa.gov/ds1/

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