Wissenschaft auf der Oberfläche eines Kometen

Die bisherigen Ergebnisse der ersten Philae-Studienreihe des Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko wurden in einer Sonderausgabe des Magazins Science veröffentlicht.

Während des siebenstündigen Sinkflugs bis zum Landeplatz Agilkia sammelte Philae zahlreiche Daten. Anschließend sollte eine Reihe vorgegebener Experimente durchgeführt werden. Kurz nach der Landung wurde allerdings klar, dass der Lander von der Kometenoberfläche abgeprallt war, sodass einige Messungen stattfanden, als Philae erneut in die Höhe stieg und in etwa 100 Metern Höhe zwei Stunden lang über den Kometen flog, bevor das Modul schließlich am Landeplatz Abydos aufsetzte.

In den 64 Stunden von Philaes Abkoppelung bis zum Übergang in den Winterschlaf  konnten circa 80 % der ersten Forschungsreihe abgeschlossen werden. Dass die Daten an mehr als einem Ort gesammelt wurden, war eine unerwartete Zugabe – so konnten nun auch die beiden Landeplätze miteinander verglichen werden.

Wissenschaft während des Flugs

Nach dem ersten Aufsetzen bei Agilkia analysierten die Gas-Chromatografen Ptolemy und COSAC die vom Lander aufgenommenen Proben. Sie bestimmten die chemische Zusammensetzung von Kometengas und -staub, die Rückschlüsse auf die vorhandenen Rohstoffe im frühen Sonnensystem liefert.

COSAC analysierte Proben, die beim ersten Aufsetzen von Philae aufgewirbelt worden waren und dann durch Rohre am Boden des Landers eintraten. In diesen Proben fand man hauptsächlich flüchtige Bestandteile eisarmer Staubpartikel. Die Analyse zeigte dann, dass es sich um eine Reihe von 16 organischen Verbindungen handelt, darunter zahlreiche Kohlenstoff- und stickstoffhaltige Verbindungen. Vier dieser Verbindungen – Methylisocyanat, Aceton, Propanal und Acetamid – waren noch nie zuvor auf Kometen entdeckt worden.

Gleichzeitig nahm Ptolemy über die Rohre oben am Lander Gasproben und ermittelte so die Hauptbestandteile der Gashülle des Kometen, nämlich Wasserdampf, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, außerdem kleinere Mengen organischer kohlenstoffhaltiger Verbindungen, darunter Formaldehyd.

Einige der von Ptolemy und COSAC ermittelten Verbindungen spielen eine entscheidende Rolle in der präbiotischen Synthese von Aminosäuren, Zuckern, Nucleobasen – also den Zutaten für Leben. Formaldehyd trägt beispielsweise zur Bildung von Ribose bei, die letztendlich in Molekülen wie der DNS vorkommt.

Das Auftreten solch komplexer Moleküle in Kometen, also in Relikten des noch jungen Sonnensystems, legt nahe, dass die damals ablaufenden chemischen Prozesse die Bildung präbiotischen Materials entscheidend gefördert haben könnten

Vergleich der Landeplätze

Dank der Bilder, die beim Anflug auf Agilkia mit der Kamera ROLIS aufgenommen wurden, und der CIVA- Kamerabilder von Abydos konnte die Topografie der beiden Landeplätze verglichen werden.

Die ROLIS-Bilder, die kurz vor dem ersten Aufsetzen gemacht wurden, zeigen eine Oberfläche, die von meterdicken Blöcken in diversen Formen, grobem Regolith in Größen von 10 bis 50 Zentimetern sowie Steinen mit einem Durchmesser unter 10 Zentimetern bedeckt ist.

Es wird angenommen, dass die Regolithschicht bei Agilkia an einigen Stellen bis zu 2 Meter dick ist, allerdings scheint es – bei gegebener Bildauflösung – frei von feinkörnigen Staubablagerungen zu sein.

Der größte Felsblock im Sichtfeld der ROLIS-Kamera ist ungefähr 5 Meter hoch und weist eine seltsam unebene Struktur auf. Ebenso ist er von Rissen durchzogen, was vermuten lässt, dass erosive Kräfte am Werk sind und die Felsbrocken auf dem Kometen in kleinere Stücke zerbrechen lassen.

An einem Ende weist der Felsbrocken darüber hinaus einen keilförmigen „Schweif“ aus Geröll auf, der anderen Formationen ähnelt, die Rosetta aus ihrer Umlaufbahn fotografiert hatte. Das weist darauf hin, dass sich Partikel, die an einem Ende des erodierenden Kometen aufgewirbelt wurden, an anderer Stelle ablagern.

Mehr als einen Kilometer entfernt, in Abydos, haben die Bilder der sieben CIVA-Mikrokameras nicht nur millimetergenaue Details der Umgebung gezeigt, sondern auch dabei geholfen, die Ausrichtung von Philae zu entschlüsseln.

Der Lander stand an einer Klippe, etwa 1 Meter vom offenen, sogenannten „Balkon“ von Philae entfernt. Die Stereobilder zeigen dabei die Topografie bis zu einer Entfernung von 7 Metern. Eine weitere Kamera liefert Bilder vom offenen Himmel über Philae.

Die Bilder zeigen Risse aller möglichen Größenordnungen in der Klippenwand des Kometen. Das Material um Philae herum wird durch dunkle Agglomerate dominiert, die möglicherweise organisch reichhaltige Partikel enthalten. Hellere Flecken deuten wahrscheinlich auf Unterscheide in der mineralischen Zusammensetzung hin; sie könnten sogar Hinweise auf eisreiche Stoffe sein.

Von der Oberfläche ins Kometeninnere

Die MUPUS-Instrumente gewährten einen Einblick in die physikalischen Eigenschaften von Abydos. Der Hammer von MUPUS zeigte, dass das Oberflächen- und Untergrundmaterial wesentlich härter ist als am Landeplatz Agilkia (wie aus der mechanischen Analyse der ersten Landung gefolgert).

Die Ergebnisse deuten bei Abydos auf eine dünne Staubschicht, mit nicht mal 3 Zentimetern Durchmesser hin. Sie bedeckt eine deutlich härtere Schicht aus Staub und Eis. Bei Agilkia kann es gut sein, dass diese härtere Schicht noch weiter in die Tiefe reicht als von Philae festgestellt.

Der MUPUS-Temperatursensor, der an Philaes „Balkon“ angebracht ist, zeigte, dass die Temperatur vor Ort im Verlauf eines Kometentages (Dauer: 12,4 Stunden) zwischen ca. -180 ºC und -145 ºC im schwankt. Die thermische Trägheit, die durch den gemessenen drastischen Anstieg und Abfall der Temperatur angedeutet wird, weist ebenfalls auf eine kompakte Kruste aus Staub und Eis unter der dünnen Staubschicht hin.

Durch den Untergrund hindurch lieferte CONSERT einzigartige Informationen zur inneren Struktur des Kometen. Dazu sandte das Instrument vom Lander Radiowellen durch den Kometenkern hindurch, bis zum Orbiter. Die Ergebnisse zeigen, dass der kleinere Teil des Kometen aus einem sehr wenig verdichteten (Porosität von 75 bis 80 %) Gemisch aus Staub und Eis besteht (mit einem Volumenverhältnis Staub zu Eis von 0,4 zu 2,6). Auf einer Skala von mehreren zehn Metern ist dies recht homogen.

Die Daten von CONSERT wurden außerdem dazu genutzt, Philaes genauen Standort auf der Oberfläche in einem Bereich von 21 mal 34 Metern optimal zu triangulieren.

„Diese ersten, bahnbrechenden Messungen an der Oberfläche eines Kometen ändern unsere Sicht auf diese Welten fundamental und helfen uns außerdem dabei, unser Bild von der Geschichte des Sonnensystems weiter zu konkretisieren“, sagt Jean-Pierre Bibring, Lead Lander Scientist und CIVA-Projektleiter am IAS im französischen Orsay.

„Durch die Reaktivierung von Philae könnten wir die Bestimmung der elementaren, isotopischen und molekularen Zusammensetzung des Kometenmaterials vervollständigen, insbesondere die Analyse der wärmeisolierenden Schicht von Tschuri durch APXS, CIVA-M, Ptolemy und COSAC.“

„Wir hatten Mitte Juni erneuten Kontakt zu Philae und hoffen deshalb immer noch, dass wir ihn reaktivieren können. Dann würde dieses aufregende Abenteuer weitergehen und wir hätten die Chance, noch mehr wissenschaftliche Messungen durchzuführen sowie neue Bilder zu schießen, um feststellen zu können, ob sich Philaes Position seit seiner Landung vor mehr als acht Monaten verändert oder verschoben hat“, sagt Lande-Manager Stephan Ulamec vom DLR.

„Diese Ground-Truth-Beobachtungen an mehreren Orten komplettieren die Messungen, die Rosetta aus der Ferne durchgeführt hat. Die Sonde hat im vergangenen Jahr den gesamten Kometen von oben analysiert“, sagt Nicolas Altobelli, wissenschaftlicher Projektleiter Rosetta bei der ESA.

„Wir nähern uns jetzt schnell dem Zeitpunkt, an dem Tschuri der Sonne am nächsten ist und überwachen die Aktivität des Kometen aus sicherer Entfernung. Dabei achten wir besonders auf etwaige Veränderungen der Oberflächeneigenschaften. Wir hoffen, dass Philae uns noch weitere Daten von seinem Standort auf der Kometenoberfläche schicken kann.“

 

Anmerkungen für Redakteure

Die Sonderausgabe des Magazins Science vom 31. Juli 2015 beinhaltet die folgenden Aufsätze:

„The nonmagnetic nucleus of comet 67P/Churyumov–Gerasimenko“ von H.-U. Auster et al.

„67P/Churyumov–Gerasimenko surface properties, as derived from the first CIVA-P in situ panoramic images“ von J-P. Bibring et al.

„The landing(s) of Philae and inferences about comet surface mechanical properties“ von J. Biele et al.

„Organic compounds on comet 67P/Churyumov-Gerasimenko revealed by COSAC mass spectrometry“ von F. Goesmann et al.

„Properties of the 67P/Churyumov–Gerasimenko interior revealed by CONSERT radar“ von W. Kofman et al.

„The structure of the regolith on 67P/ Churyumov–Gerasimenko from ROLIS descent imaging“ von S. Mottola

„Thermal and mechanical properties of the near-surface layers of comet 67P/Churyumov–Gerasimenko“ von T. Spohn et al.

„CHO-bearing organic compounds at the surface of 67P/Churyumov–Gerasimenko revealed by Ptolemy“ von I.P. Wright et al.

 

Über Rosetta


Rosetta ist eine ESA-Mission, zu der auch die ESA-Mitgliedsstaaten sowie die NASA beitragen. Rosettas Lander Philae wurde von einem internationalen Konsortium unter Leitung von DLR, MPS, CNES und ASI entwickelt.

Weitere Informationen erhalten Sie bei:

Nicolas Altobelli
Wissenschaftlicher Projektleiter Rosetta
E-Mail: Nicolas.Altobelli@sciops.esa.int

Jean-Pierre Bibring
Chefwissenschaftler Lander und CIVA
Institut d’Astrophysique Spatiale (IAS), Orsay, Frankreich
E-Mail: jean-pierre.bibring@ias.u-psud.fr

Stephan Ulamec
Projektleiter der Landeeinheit Philae
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
E-Mail: Stephan.Ulamec@dlr.de