Forschungsbericht 2015 - Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung

Rosetta und Philae beim Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko

Autoren
Boehnhardt, Hermann
Abteilungen
Planeten und Kometen
Zusammenfassung
Rosetta untersucht seit Sommer 2014 den Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko. Im November 2014 wurde der Philae-Lander auf dem Kometen abgesetzt. Die ersten Ergebnisse der wissenschaftlichen Instrumente geben neue Erkenntnisse zur Entstehung kleiner Körper in der Frühphase des Sonnensystems, zur Kometenaktivität und zur Bedeutung von Kometen für das Vorhandensein von Wasser auf der Erde preis.

Kometen, das Planetensystem und die Erde

Kometen gelten als Boten aus der Entstehungsphase des Sonnensystems. Entstanden im Bereich der großen Gasplaneten, wurden sie während der dynamisch sehr heftigen Clean-up-Phase der Entstehungsscheibe der Planeten zum Teil in zwei Reservoirs im Sonnensystem gespeichert, in der sog. Oort-Wolke zwischen etwa 10000- und 100000-fachen Erdabstand zur Sonne (=1 AU) und im sog. Kuiper-Gürtel außerhalb der Neptunbahn zwischen 35-50 AU. Durch die große Sonnenferne der Reservoirs sind die Kometen tief gefroren (unter 100 K) und gelten deswegen als weitgehend unveränderte Relikte aus den ersten 10 bis wenigen 100 Millionen Jahren des Planetensystems. Sie sollten in ihrer Zusammensetzung, inneren Struktur und weiteren physikalischen Eigenschaften quasi die Bedingungen widerspiegeln, die zum Zeitpunkt und am Ort ihrer Entstehung geherrscht haben. Ein erheblicher Anteil an Wasser- und anderen Eisen sowie auch organisches Material wird in Kometenkernen erwartet. Dabei besteht die Möglichkeit, dass Kometenwasser zum heute vorhandenem Ozean- und Erdkrustenwasser durch Impakte beigetragen hat. Die Organik in Kometen wurde zwangsläufig auch auf die Erde geliefert.

Die Rosetta-Mission zu 67P/Churyumov-Gerasimenko

Nach dem Erfolg der Giotto-Sonde zum Kometen Halley beschloss die europäische Raumfahrt-Agentur ESA in 1993, Rosetta, eine wissenschaftliche Mission zu einem Jupiter-Familie-Kometen (JFK), innerhalb des Horizon-2000-Programms durchzuführen. Aufgabe der Mission ist, wesentliche wissenschaftliche Fragestellungen, wie oben beschrieben (Kometen und die Entstehung des Planetensystems, Kometen und die Erde), per Experimentmessungen zu adressieren. Im Unterschied zu allen Kometensonden vor Rosetta, die ausschließlich nur kurzzeitige Fly-by-Missionen mit typischen Vorort-Messzeiten von wenigen Stunden waren, sollte der Komet nun mittels Experimenten auf einem Orbiter über einen guten Teil seines Umlaufs um die Sonne erkundet werden. Auf Vorschlag von Helmut Rosenbauer vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung und Kollegen sollte Rosetta auch einen Lander auf der Kometenoberfläche absetzen. Damit wird erstmals die In-Situ-Erforschung der Oberflächenschichten und des Kometeninneren möglich.

Je neun Instrument-Proposals wurden für Orbiter und Lander ausgewählt, ergänzt um ein Experiment, das für die Messungen Instrument-Hardware sowohl auf dem Orbiter als auch auf dem Lander benutzt. Das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung nimmt die Hauptverantwortung für zwei Orbiter-Instrumente (das Kamera-System Osiris und den Staub-Analysator Cosima), für ein Lander-Instrument (das Komagas- und Bodenprobenanalyse-Experiment Cosac) und für die wissenschaftliche Gesamtmission des Philae-Landers wahr und hat zu insgesamt drei weiteren Orbiter- (Concert, Miro, Rosina) und zu zwei weiteren Lander-Instrumenten (Romap, Sesame) wesentlich beigetragen.

Nach einer Startverzögerung von einem Jahr, die auch einen Wechsel des Zielkometen bedeutete, ging Rosetta mit Philae am 2. März 2004 an Bord einer Ariane-5-Rakete auf die rund 7 Milliarden km lange und rund 10¼ Jahre dauernde Reise zum Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko (abgekürzt 67P), einem als typisch eingeschätzten JFK. Da die Anpassung an die Kometenbahn nicht mit Raketenantrieben erreicht werden konnte, wurden sogenannte Gravity-Assist-Flybys bei der Erde (3x) und Mars (1x) durchgeführt; während der Passage des Asteroidengürtels im Sonnensystem konnten zusätzlich noch zwei Asteroiden, (2867) Steins am 9. September 2008 und (21) Lutetia am 10. Juli 2010, per Fly-bys untersucht werden. Anfang August 2014 erreichte Rosetta den Kometen 67P mit einem Abstand von etwa 100 km und führt seitdem das wissenschaftliche Messprogramm der Orbiter-Mission in Kometennähe zwischen ca. 10 und einigen 100 km Abstand zur Kernoberfläche aus.

Die Landung auf dem Kometenkern

Am 12. November 2014 erfolgte die Landung von Philae auf der Kometenoberfläche. Der rein passive Lander stieß sich um 08:35 UTC in einer Höhe von 22,5 km über der Oberfläche mit 19 cm/s vom Rosetta-Orbiter ab und machte sich auf den 7 Stunden währenden Abstieg zur Kometenoberfläche. Ziel war das vorher ausgesuchte Landeareal J auf der kleineren Komponente des Kometenkerns. Trotz großer vorhergesagter Landeellipse hatte Philae in nur 150 m Abstand zum nominalen Zielpunkt um 15:34 UTC die erste Bodenberührung. Da die Harpunen zur festen Verankerung des Landers an der Kometenoberfläche nicht ausgelöst wurden, startete Philae zu einer mehr als 1 km weiten, taumelnden Hüpf-Exkursion über die Oberfläche und kam erst nach knapp 2 h und zwei weiteren, kurzen Bodenkontakten im Randbereich des Landeareals B zur Ruhe. Die wissenschaftlichen Messungen des Landers mussten dann wegen der begrenzten Batterieleistung innerhalb von etwa zwei Tagen ohne genaue Kenntnis des Landplatzes und der Lage des Landers implementiert und durchgeführt werden. Dem Lander-Team gelang es trotz dieser unerwarteten Umstände, jedes Instrument wenigstens einmal, manche auch mehrmals, für wissenschaftliche Aufgaben zu betreiben. Am 15. November 2014 kurz nach Mitternacht schaltete der Bordcomputer den Lander wegen nachlassender elektrischer Stromversorgung auf den sog. Hibernations-Modus, bei dem zunächst kein Betrieb und auch kein Kontakt zum Orbiter, und damit zur Erde, besteht.

Erste Highlights von Rosetta und Philae

Osiris-Kamera-Bilder zeigen einen Kometenkern, der aus zwei verschieden großen Teilkomponenten besteht, die über eine schmale Halsregion miteinander verbunden sind (Abb. 1). Die Teilkomponenten werden als sog. Planetesimale angesehen, die durch Zusammenstoß, wahrscheinlich bei der Entstehung des Kometenkerns, aneinandergefügt wurden [1]. Die Halsregion wird durch die fortdauernde Aktivität des Kometen entweder verbreitert oder aufgelöst, eine Frage, der die Rosetta-Mission durch weitere Beobachtungen nachgehen wird. Oberflächensignaturen in Osiris-Bildern sowie der von Miro bestimmte Wertebereich für die thermale Trägheit der Oberfläche deuten auf Schichtungen von losem Regolith hin, das sich in Form von Fallback-Material aus der Kometenaktivität abgelagert hat [1-3]. Der Lander ist jedoch bei seinem endgültigen Landeplatz auf sehr feste, plattenartige Oberflächenstrukturen gestoßen, die sich durch Sinterprozesse infolge der Sonnenerwärmung und Aktivität des Kometenmaterials erklären lassen. Für den Kometenkern ergibt sich insgesamt eine mittlere Dichte von deutlich unter 1 g/cm3, was auf eine geringe Kompaktierung und einem hohen mikro- und/oder makroskopischen Leerraumanteil im Kometenkern hinweist [1]. Aus Magnetfeld-Messungen von Romap während des Abstiegs ergibt sich, dass Magnetfelder bei der Bildung des Kometenkerns während der Frühphase des Sonnensystems keine große Rolle gespielt haben können.

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Abb. 1:  Ein Farbbild des Rosetta-Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko zeigt die beiden Komponenten des Kometenkerns mit grauen Oberflächen. Das Bild wurde zusammengestellt aus drei Aufnahmen, die am 6. August 2014 vom Kamerasystem OSIRIS mithilfe des roten, grünen und blauen Filters aus einer Entfernung von 120 Kilometern gemacht wurden.

In der Kometenkoma konnte das Rosina-Instrument schon mehr als zwanzig leicht flüchtige Gase nachweisen, die aus dem Eis im Kometenkern durch Sonnenerwärmung verdampfen. Dabei ist Wasser die Hauptkomponente, gefolgt von Kohlendioxid, das auf der Nachtseite des Kometen sogar überwiegen kann. Das Isotopenverhältnis D/H von Deuterium zu Wasserstoff im Wassergas von 67P weist den dreifachen Wert im Vergleich zu Ozeanwasser auf der Erde aus [4]. Dies deutet darauf hin, dass Kometen wie 67P nicht die einzige Quelle für das Wasser auf der Erde gewesen sein können und belegt zusammen mit früheren D/H-Messungen in anderen Kometen, dass diese Körper in einem weiteren Abstandsbereich im Sonnensystem entstanden sein müssen und danach in dem Reservoir des Kuiper-Gürtels vermischt wurden.

Die nicht- bzw. schwerflüchtige Komponente des Kometenmaterials, das z. B. durch die Kernaktivität in Staubform freigesetzt wird, besteht aus silikatischen und organischen Verbindungen. Der Staub besteht aus Kornaggregaten, die zum Teil nur sehr lose zusammengehalten werden. Cosac hat vermutlich beim Lander-Touch-down mit Glück aufgewirbelten Kometenstaub abbekommen, anschließend im Taumelflug des Landers über die Oberfläche analysiert und dabei einen erheblichen kohlen- und stickstoffhaltigen Organikanteil gefunden (siehe Abb. 2), der sich wahrscheinlich/am besten den Alkohol, Amin-, Amid- und/oder Aldehydverbindungen zuordnen lässt.

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Abb. 2:  Cosac-Massenspektrum, aufgenommen während der Hopping-Phase des Landers am 12. November 2014. Schnüffelmodus bezeichnet eine Messung, die den Nachweis von Gas aus der Kometenkoma ermöglicht. Identifizierte Komagase sind im Plot bezeichnet; die Fragezeichensymbole markieren Peaks von organischen Substanzen.

 

Rosetta und Philae in 2015 und 2016

Das Jahr 2014 brachte den Auftakt für die wissenschaftlichen Missionen von Rosetta und Philae. Der Orbiter wird den Kometen auf seinem Flug zum sonnennächsten Punkt im August 2015 und auch danach begleiten und kontinuierlich beobachten. Eine wesentliche Aufgabe dabei ist die Entschlüsselung der Prozesse, die die Kometenaktivität bewirken und bestimmen. Der Lander, sofern er wie erwartet wieder aus seinem Winterschlaf infolge Energiemangels durch Sonneneinstrahlung aufwacht, kann dabei eine wichtige Rolle spielen. Dann ist auch die Suche nach Aminosäuren und die Bestimmung ihrer Chiralität aus Bodenproben vom Philae-Bohrer SD2 möglich. In 2016, sofern ESA zustimmt, könnte Rosetta eine Exkursion in den Kometenschweif unternehmen und die dortigen Plasma- und Magnetfeldbedingungen erkunden, die die Wechselwirkung des Sonnenwinds mit einem noch schwach ausgasenden Kometenkern erzeugen. Philae wird dann wahrscheinlich bereits abgeschaltet auf der Kernoberfläche ruhen.

Literaturhinweise

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