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Eine Reise zum Asteroiden Phaethon


Sterne und Weltraum - epaper ⋅ Ausgabe 11/2021 vom 08.10.2021

ASTEROIDEN

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Bildquelle: Sterne und Weltraum, Ausgabe 11/2021

Versprochenes Rendezvous

Im Januar 2028 soll die japanische Raumsonde DESTINY + in etwa 500 Kilometer Abstand am rund sechs Kilometer großen Asteroiden Phaethon vorbeifliegen.

IN KÜRZE

■ Die japanische Raumsonde DESTINY + soll im Juli 2024 starten und im Januar 2028 nahe am Asteroiden (3200) Phaethon vorbeifliegen.

■ DESTINY + ist mit zwei Kameras aus Japan und einem Staubanalysegerät aus Deutschland ausgestattet.

■ Der Asteroid (3200) Phaethon ist der Mutterkörper des Meteorstroms der Geminiden, deren Sternschnuppen alljährlich Mitte Dezember zu sehen sind.

Die meisten von uns haben schon einmal eine Sternschnuppe, einen Meteor, mit dem bloßen Auge am Nachthimmel gesehen. Im Lauf eines Jahres treten sie in unregelmäßigen Abständen besonders häufig in Meteorströmen in Erscheinung (siehe S. 62). Diese am besten abseits der lichtüberfluteten Städte sichtbaren Leuchterscheinungen entstehen, ...

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... wenn Partikel von einigen Millimetern bis wenigen Zentimetern Größe mit hoher Geschwindigkeit auf die Erdatmosphäre treffen. Dabei wird das Gas der Atmosphäre stark erhitzt und ionisiert, was zu der auffälligen Leuchtspur führt. Die Partikel verdampfen dabei meist komplett.

In der Regel handelt es sich bei den Meteorströmen um von Kometen freigesetztes Material, das sich entlang der Bahn des Schweifsterns verteilt und ihm bei seinem Umlauf um die Sonne folgt. Kreuzt die Erde auf ihrer Bahn solch eine Wolke, so werden sie als Sternschnuppen sichtbar. Ein besonders auffälliger Meteorstrom sind die Geminiden, die jedes Jahr um den 14. Dezember herum auftreten. Berechnet man anhand ihrer Flugbahnen den Ursprungsort der Partikel, so stößt man im interplanetaren Raum auf den Asteroiden (3200) Phaethon. Und er ist kein Komet im Unterschied zu den Ursprungskörpern der meisten anderen bekannten Meteorströme (siehe »Steckbrief von (3200) Phaethon«).

Könnte man die Teilchen einfangen und zur Erde bringen, so ließen sie sich im Labor untersuchen, um beispielsweise Informationen über ihren Ursprungskörper zu gewinnen. Mit besonders hoch fliegenden Flugzeugen sammelte vor allem die NASA in den vergangenen Jahrzehnten wiederholt interplanetare Staubpartikel in der Erdatmosphäre ein. Man hat dies auch gezielt zu Zeiten gemacht, als die Erde einen bekannten Meteorstrom kreuzte. Es lässt sich jedoch nicht zweifelsfrei ausschließen, dass auch Partikel von anderen als dem anvisierten Ursprungskörper aufgesammelt wurden, da sie je nach Größe für längere Zeit in der hohen Erdatmosphäre verweilen können. Die Herkunft der Teilchen lässt sich letztlich nur eindeutig bestimmen, wenn man sie direkt vor Ort in der Nähe ihres Ursprungskörpers einfängt.

Die japanische Weltraumbehörde JAXA will daher die Raumsonde DESTINY + (Demonstration and Experiment of Space Technology for INterplanetary voYage with Phaethon fLyby and dUst Science) zu Phaethon schicken, um diesen kleinen Himmelskörper genauer zu untersuchen (siehe »Versprochenes Rendezvous«). Mit an Bord wird neben zwei in Japan gebauten Kameras ein von der Universität Stuttgart entwickeltes Staubanalysegerät sein. Nach dem für das Jahr 2024 geplanten Start der Sonde erlaubt zunächst eine mehrere Jahre dauernde Anflugphase zu Phaethon die Untersuchung von Staubpartikeln im interplanetaren Raum. Im Jahr 2028 ist ein naher Vorbeiflug an Phaethon vorgesehen. Ein Probentransport zur Erde ist aus Kostengründen nicht geplant.

Ein heißer Kleinkörper im Sonnensystem

Phaethon gehört zur Gruppe der Apollo­ Asteroiden. Diese ziehen im inneren Sonnensystem ihre Bahnen um unser Zentralgestirn und kreuzen dabei in den sonnennächsten Abschnitten ihrer Orbits auch die Erdbahn. Entdeckt wurde Phaethon im Jahr 1983 von den beiden britischen Astronomen Simon F. Green und John K. Davies, als sie die Daten des Infrarotsatelliten IRAS analysierten. Er war der erste Asteroid, der mit Hilfe eines Satellitenobservatoriums aufgespürt wurde.

Der Asteroid bewegt sich auf einem stark elliptischen Orbit in 524 Tagen einmal um die Sonne und nähert sich ihr in seinem sonnennächsten Punkt, dem Perihel, bis auf etwa 20 Millionen Kilometer an. Seine Bahn ähnelt mehr derjenigen eines Kometen als der eines Asteroiden. Im Perihel ist Phaethon unserem Zentralgestirn sogar wesentlich näher als der sonnennächste Planet Merkur. Daher heizt sich Phaethons Oberfläche auf mehr als 700 Grad Celsius auf (siehe »Die Flugbahn von DESTINY + , S. 41«) – heißer als auf Merkur oder Venus.

Mittels Lichtkurven und thermophysikalischen Modellen ließen sich in den vergangenen Jahren die Größe von Phaethon und seine dreidimensionale Gestalt bestimmen: Sie ergaben zunächst einen Durchmesser von etwa 4,6 Kilometern. Im Jahr 2017 näherte sich Phaethon der Erde bis auf etwa zehn Millionen Kilometer an, was Radarmessungen mit dem 300-Meter-Radioteleskop von Arecibo in Puerto Rico ermöglichte. Aus ihnen ergab sich ein Durchmesser von etwa sechs Kilometern. Außerdem wurde im Jahr 2019 die Bedeckung eines Sterns durch Phaethon beobachtet. Aus all diesen Messungen ließ sich schließlich ein neues 3-D- Modell Phaethons mit einer maximalen Ausdehnung entlang jeder Achse von 6,4 6,2 5,2 Kilometern als aktuellen Bestwert ableiten (siehe »Phaethon im Radarbild«). Phaethon ist damit nur geringfügig größer als der Kern des Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko, der in den Jahren 2014 bis 2016 von der Raumsonde Rosetta detailliert untersucht wurde (siehe SuW 5/2015, S. 26). Die Rotationsperiode des kleinen Himmelskörpers ist dagegen mit einer sehr hohen Genauigkeit bekannt: Sie beträgt nur rund 3,6 Stunden.

Steckbrief von (3200) Phaethon

Eine Wolke aus Asteroidenbruchstücken

Die in Meteorströmen in Erscheinung tretenden Teilchen bilden langgestreckte Wolken, die sich auf ganz ähnlichen Bahnen wie ihre Ursprungskörper um die Sonne bewegen. Auf den infraroten Him­ melskarten des IRAS-Satelliten wurden einige dieser Wolken erstmals nachgewiesen. Die Wolke von Phaethon wurde im Jahr 2014 auf Infrarotbildern des Satelliten COBE, des Cosmic Background Explorer, entdeckt und kürzlich auch auf Bildern der Sonnensonde Parker Solar Probe (PSP) im sichtbaren Licht aufgespürt (siehe »Staubspur der Geminiden«). Allerdings zeigen die Bilder nach dem bisherigen Stand der Analysen wesentlich kleinere Teilchen: Während die Geminiden durch Partikel von Millimeter- bis Zentimetergröße entstehen, enthüllt die abgebildete Staubspur Teilchen, die wesentlich kleiner als ein Millimeter sind. Kürzlich wurde mit der PSP ein Strom von noch feineren Staubteilchen nachgewiesen, die weniger als ein tausendstel Millimeter groß sind und höchstwahrscheinlich ebenfalls von Phaethon stammen. Teilchen dieser Größe werden zu einem erheblichen Teil vom Lichtdruck der Sonne angetrieben und können dadurch unter Umständen sogar das Sonnensystem verlassen.

Alle bisherigen Beobachtungen deuten darauf hin, dass Phaethon sein Material fast ausschließlich im inneren Sonnensystem abgibt. Die Daten enthüllen eine dünne Staubwolke um den kleinen Himmelskörper nur dann, wenn er sich in der Nähe seines Perihels befindet, weiter draußen in etwa dem Abstand Erde – Sonne dagegen nicht. Auch die Bilder der Raumsonde Parker Solar Probe zeigen die Staubspur in Perihelnähe.

Rätselhafte Vorgänge

Unklar ist bisher, über welchen Mechanismus die Teilchen freigesetzt werden. Bei Kometen gehen die Aktivität und die damit verbundene Teilchenemission hauptsächlich auf verdampfendes Wasser eis zurück, wenn sich der Schweifstern nahe genug an der Sonne befindet. Für Phaethon lässt sich dies weitgehend ausschließen, denn es zeigt sich lediglich eine Staubwolke, aber keine kometentypische Gashülle. Außerdem ist Wassereis wegen d er hohen Temperaturen in oberflächennahen Gesteinsschichten nicht stabil. Die g roßen Temperaturunterschiede können jedoch thermische Spannungen verursachen, in deren Folge das Gestein fragmentiert und Material sehr unterschiedlicher Größe freigesetzt werden kann. Als ein weiterer Mechanismus kommt die Dehydrierung wasserhaltiger Gesteine in Frage, was ebenfalls zu Fragmentation führen kann.

Wegen seiner Teilchenemission gehört Phaethon zu einer erst vor relativ kurzer Zeit entdeckten Gruppe von Kleinkörpern, den aktiven Asteroiden (siehe SuW 10/2013, S. 32). Bisher ist nur eine vergleichsweise kleine Zahl von wenigen Dutzend solcher Objekte bekannt, von denen viele im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter ihre Bahnen um die Sonne ziehen. Ihre Aktivität ist die Folge sehr unterschiedlicher Mechanismen: Bei manchen Objekten scheint sie ein Ausnahmeereignis zu sein, das durch die Kollision zweier Kleinkörper verursacht wurde. Bei anderen nimmt die Rotationsgeschwindigkeit durch ungleichmäßige thermische Abstrahlung von der Ober fläche des Himmelskörpers allmählich so stark zu, dass durch die wachsenden Zentrifugalkräfte schließlich Material von der Oberfläche weggeschleudert wird oder der ganze Himmelskörper zerbrechen kann.

Wieder andere Kandidaten werden nur in der Nähe ihres Perihels aktiv und zeigen Anzeichen von Wasser nahe der Oberfläche. Ein besonderes Beispiel hierfür ist der Zwergplanet (1) Ceres, der größte Himmelskörper im Asteroidengürtel (siehe S. 58), unter dessen Oberfläche mit der Raumsonde DAWN große Mengen Wassereis nachgewiesen und auch Ausgasungen beobachtet wurden (siehe SuW 5/2014, S. 24).

Phaethon fällt jedoch in keine dieser Kategorien. Möglicherweise ähnelt er in seinem Verhalten dem Asteroiden Bennu, in dessen Umgebung auf den Bildern der Raumsonde OSIRIS-REx zahlreiche Brocken von etwa ein bis zehn Zentime ter Größe entdeckt wurden (siehe SuW 5/2019, S. 10). Deren Emissionsmechanismus ist bisher ebenfalls unklar. Seit Längerem wird vermutet, dass es sich bei Phaethon um einen »ausgebrannten« Kometen handeln könnte, der praktisch seine gesamten leichtflüchtigen Stoffe aufgebraucht hat und heute als Kometenüberrest seine Bahn um die Sonne zieht.

Auch über die Zusammensetzung von Phaethon wissen wir verhältnismäßig wenig. Klar ist, dass seine Oberfläche aus festem Gestein bestehen muss. Beobachtungen von der Erde aus belegen eine starke Polarisation des von seiner Oberfläche reflektierten Sonnenlichts. Dies deutet auf eine hohe Porosität des Oberflächenmaterials oder auf feinen Staub hin.

Bisher gibt es keinerlei Hinweise auf die Existenz von Wasser, weder in Form von Eis an oder unterhalb der Oberfläche, noch in Form wasserhaltiger Minerale im Gestein. Dies steht im Einklang mit den in der Nähe des Perihels auftretenden hohen Temperaturen, die etwa 700 Grad Celsius übersteigen können. Die Phaethonoberfläche ist relativ dunkel: Sie reflektiert nur etwa acht bis elf Prozent des einfallenden Sonnenlichts.

Durch Beobachtungen im sichtbaren und im nahinfraroten Wellenlängenbereich ergaben sich starke Ähnlichkeiten mit einer Gruppe von Asteroiden, die einen hohen Gehalt an Kohlenstoffverbindungen an ihrer Oberfläche aufweisen, die C-Klasse. Diese Asteroiden bilden die häufigste Gruppe im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter und gelten als die Ursprungskörper einer besonders interessanten Gruppe von Meteoriten, den kohligen Chondriten.

In den letzten Jahrzehnten wurden viele von ihnen untersucht und lieferten zahlreiche neue Erkenntnisse über das frühe Sonnensystem. Die kohligen Chondrite sind die ältesten uns bekannten Meteorite. Es ist zu erwarten, dass die Materialanalysen von Phaethon bis auf das Fehlen wasserhaltiger Minerale zeigen werden, dass dessen Gestein den kohligen Chondriten sehr ähnlich ist. Weitere Beobachtungen belegen rotationsabhängige Veränderungen in der Farbe des von Phaethon reflektierten Lichts, was auf Unterschiede in der Oberflächenzusammensetzung zurückgehen dürfte.

Auf zu Phaethon!

Wie soll Phaethon untersucht werden, und was ist an neuen Erkenntnissen zu erwarten? Die japanische Weltraumbehörde JAXA und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR kündigten im Jahr 2017 eine engere Zusammenarbeit unter anderem auf dem Gebiet der Erforschung des kosmischen Staubs an. In diesem Rahmen will die JAXA eine Raumsonde zum Asteroiden Phaethon schicken.

In der Planung war diese Mission schon einige Jahre zuvor, allerdings ursprünglich als eine rein japanische technologische Demonstrationsmission ohne wissenschaftliche Instrumente und ohne internationale Beteiligung. Um ihren Nutzen zu erweitern, wurde sie um drei wissenschaftliche Instrumente ergänzt. Es sind zwei Kameras, die von japanischen Forschungseinrichtungen entwickelt werden, sowie ein Instrument zur Analyse von Staubteilchen, das von der Universität Stuttgart beigetragen wird.

Der Start der Sonde soll im Juli 2024 mit einer japanischen Rakete des Typs Epsilon S vom Raumfahrtzentrum Uchinoura in Südwestjapan erfolgen. An getrieben wird DESTINY + von vier Ionentriebwerken des gleichen Typs, der auch bei den Raumsonden Hayabusa-1 und -2 zum Einsatz kam. Diese brachten erfolgreich Gesteinsproben von den Asteroiden Itokawa und Ryugu zur Erde (siehe SuW 6/2020, S. 30, und SuW 1/2021, S. 48). Mit einer Start masse von 480 Kilogramm ist die Raumsonde vergleichsweise leicht. Zu dem geringen Gewicht tragen neben einer kompakten Bauweise unter anderem der Ionenantrieb und neu entwickelte Dünnschichtsolarzellen wesentlich bei.

Die Rakete wird DESTINY + zunächst in eine niedrige elliptische Erdumlaufbahn bringen. Die Ionentriebwerke liefern im Vergleich zu chemischen Antrieben nur einen sehr geringen Schub, diesen aber über lange Zeiträume (siehe SuW 5/2021, S. 38). Die Triebwerke heben die Bahn von DES­ TINY während der ersten etwa anderthalb Jahre Flugzeit allmählich so weit an, dass die Sonde mittels zweier naher Vorbeiflüge am Mond schließlich im Dezember 2026 auf eine interplanetare Bahn gebracht werden kann (siehe »Die Flugbahn von DESTINY «).

Im Januar 2028 fliegt die Sonde dann in nur 500 Kilometer Entfernung mit einer Geschwindigkeit von 36 Kilometern pro Sekunde an Phaethon vorbei. Der Asteroid wird sich zu diesem Zeitpunkt in einer Entfernung von 0,91 AE von der Sonne befinden.

Sollte DESTINY + danach noch in technisch gutem Zustand sein und ihre Treibstoffreserven noch ausreichen, dann könnte sie in einer verlängerten Mission im November 2028 am Asteroiden (155140) 2005 UD vorbeifliegen und auch diesen aus der Nähe untersuchen. Dieser Kleinkörper bewegt sich auf einer ähnlichen Bahn um die Sonne wie Phaethon, und ist möglicherweise ein Bruchstück von diesem. Außer seiner Größe von etwa 1,2 Kilometern und seiner Rotationsperiode von rund 5,2 Stunden ist bisher wenig über diesen kleinen Himmelskörper bekannt.

Die Augen von DESTINY +

Die beiden Kameras an Bord werden unter Federführung des japanischen Chiba Institute of Technology entwickelt. Hierbei handelt es sich um eine hochauflösende Telekamera (Telescopic CAmera for Phaethon, TCAP). Sie soll beim Vorbeiflug an Phaethon Bilder mit einer Auflösung von bis zu fünf Metern liefern.

Um den Himmelskörper während der Passage im Blickfeld der Kamera zu behalten, müsste die Raumsonde wegen der hohen Fluggeschwindigkeit und der geringen Entfernung zeitweise relativ schnell mit sehr hoher Genauigkeit gedreht werden. Um dies zu vermeiden, wird das Kamerablickfeld mittels eines präzisen Drehspiegels automatisch nachgeführt, um so Phaethon während des gesamten Vorbeiflugs im Bild zu behalten.

Die zweite Kamera ist ein multispektrales System (Multiband CAmera for Phaethon, MCAP), das simultan Bilder in vier Wellenlängenbereichen aufnehmen kann. Seine maximale räumliche Auflösung beträgt 100 Meter; Beobachtungen während der größten Annäherung an Phaethon sind wegen des fehlenden Nachführmechanismus nicht möglich.

Der kosmische Staubsensor

Das Staubanalysegerät ist das einzige wissenschaftliche Instrument an Bord von DESTINY + , das nicht aus Japan stammt. Es handelt sich dabei um eine Weiterentwicklung des Cosmic Dust Analyzer, der an Bord der Raumsonde Cassini von 2004 bis 2017 sehr erfolgreich den Staub in der Umgebung des Planeten Saturn untersucht hat. Ähnlich wie dieser, aber mit in mehrfacher Hinsicht wesentlich verbesserter Messgenauigkeit, wird der DESTINY Dust Analyzer (DDA) unter anderem die chemische Zusammensetzung der gemessenen Staubpartikel untersuchen. Weiterhin wird das Instrument die Massen, die Geschwindigkeiten, die Richtungen und die elektrischen Ladungen der Partikel messen. Der DDA wird federführend vom Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart in Zusammenarbeit mit der Firma von Hoerner & Sulger in Schwetzingen entwickelt. Gefördert wird der DDA vom DLR- Raumfahrtmanagement mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi).

Der DDA wird möglichst früh nach dem Start von DESTINY + eingeschaltet und soll soweit wie möglich während der gesamten Mission betrieben werden. Dies wird uns erlauben, Staubpartikel in der Umgebung der Erde und des Mondes sowie im interplanetaren Raum zu messen. Während der Vorbeiflugphase werden vor allem die Teilchen in der Nähe von Phaethon untersucht, die vom Asteroiden freigesetzt wurden. In Ergänzung zu den beiden Kameras, die ihre wissenschaftlichen Ergebnisse hauptsächlich während der dichten Annäherung an Phaethon sammeln werden, kann der DDA schon während der mehrere Jahre dauernden Anflugphase, quasi am Wegesrand, wertvolle Messdaten liefern.

Staub im Sonnensystem

Was macht die Messung von Staub so inter essant? Mit speziellen Messinstrumenten an Bord einer ganzen Reihe von Raumsonden wurde in den vergangenen Jahrzehnten kosmischer Staub unter anderem in der Nähe der Erde, am Mond, in der Umgebung der Riesenplaneten Jupiter und Saturn, in der Koma der Kometen 1P/Halley und 67P/Tschurjumow-Gerasimen ko sowie der großräumig im interplanetaren Raum verteilte Staub untersucht.

Dabei fanden sich zahlreiche Planetenmonde als Staubquellen, so zum Beispiel der vulkanisch aktive Jupitermond Io, der extrem kleine Partikel aus seinen Vulkanfontänen auswirft, die sich weit in den interplanetaren Raum hinaus nachweisen lassen, und im Saturnsystem die Eisfontänen des aktiven Mondes Ence ladus. Im interplanetaren Raum ließen sich außerdem die großräumige Verteilung der Staubpartikel in der Zodiakallichtwolke untersuchen (siehe SuW 10/2021, S. 68) sowie von außen in unser Sonnensystem eindringender inter stellarer Staub.

Alle diese unterschiedlichen Typen von Staubteilchen, einschließlich des von Phaethon freigesetzten Materials, tragen wertvolle Informationen über ihre Herkunft und ihre Entwicklung, wenn man ihre chemische Zusammensetzung und ihre physikalischen Eigenschaften entschlüsselt.

Um die Messungen des Staubsensors DDA vorzubereiten, führten wir Computersimulationen mit Modellen durch, die in den vergangenen zwei Jahrzehnten basierend auf den existierenden Raumsondenmessungen unter anderem an der Universität Stuttgart, der University of Colorado, an den Max-Planck-

Instituten für Kernphysik in Heidelberg und für Sonnensystemforschung in Göttingen sowie der Europäischen Weltraumbehörde ESA entwickelt wurden. Diese Modelle dienen der Vorhersage von Staubeinschlägen auf Satelliten in der Erdumlaufbahn und im inter planetaren Raum. Für DESTINY + nutzen wir sie, um vorherzusagen, wann besonders gute Messbedingungen für Staubteilchen aus bestimmten Quellen zu erwarten sind, um den Betrieb des DDA entsprechend zu planen.

Der Staubfluss ist variabel, lässt sich aber modellieren. Ein Beispiel ist der zu erwartende Fluss von interstellaren Teilchen auf die Raumsonde während der interplanetaren Flugphase ab Ende 2026 nach dem letzten Vorbeiflug am Erdmond (siehe »Fluss von interstellaren Staubteilchen«). Auffällig ist der starke Anstieg des prognostizierten Teilchenflusses im Jahr 2028 gegenüber dem Vorjahr. Dies wird durch besonders kleine elek trisch geladene Teilchen verursacht, deren Bewegung stark vom weiträumig den interplanetaren Raum ausfüllenden Magnetfeld der Sonne beeinflusst wird. Das Magnetfeld variiert mit dem elfjährigen Sonnenflecken zyklus, was zu deutlichen Veränderungen der Staubteilchendichte im inneren Sonnensystem führt.

Unsere Untersuchungen zeigen, dass sich im Verlauf der Mission zunehmend bessere Bedingungen ergeben werden, um diese Teilchen zu messen, da ihre Häufigkeit im inneren Sonnensystem zunimmt. Insgesamt sagen unsere Modellrechnungen voraus, dass wir während der vierjährigen Gesamtmission mit dem DDA bis zu 200 interstellare Teilchen werden messen können. Hierzu kommen mehr als 600 Teilchen aus der Zodiakallichtwolke, die von Kometen und Asteroiden stammen.

Diese Zahlenwerte mögen gering erscheinen, stellen jedoch einen beträchtlichen Zuwachs dar, insbesondere da der DDA erstmals die chemische Zusammen­ setzung sämtlicher registrierten Teilchen bestimmen wird. Jedes Teilchen ist quasi ein Unikat mit wertvollen Informationen über seine Herkunft und seine Entwicklung. Diese Vorhersagen für die zu erwartenden Teilchenzahlen sind relativ verlässlich, da die verwendeten Modelle basierend auf den realen Messungen früherer Raumsonden entwickelt wurden.

Phaethon und die Geminiden

Die Geminiden sind der stärkste Meteorstrom des Jahres mit höchsten Fallraten. Sie lassen sich etwa in der Zeit vom 4. bis zum 20. Dezember beobachten. Ihr Maxi mum erreichen sie um den 14. Dezember. Ihren Namen tragen sie, weil die Meteore scheinbar aus der Richtung des Sternbilds Zwillinge (lateinisch: Gemini) kommend ihre Bahnen über den Himmel ziehen (siehe SuW 12/2020, S. 66). Die Intensität der Geminiden hat in den letzten Jahren zugenommen und übertrifft zur Zeit diejenige der bekannteren Perseiden im August. Die Partikel treffen mit einer Geschwindigkeit von 35 Kilo metern pro Sekunde auf die Erdatmosphäre und verglühen oberhalb einer Höhe von etwa 60 bis 80 Kilometern vollständig. Unter sehr guten Beobachtungsbedingungen lassen sich bis zu 150 Meteore pro Stunde beobachten.

Als Ursprungskörper der Geminiden wird der Kleinplanet (3200) Phaethon angesehen. Bei zwei anderen Asteroiden, (155140) 2005 UD und (225416) 1999 YC, wird ebenfalls ein Zusammenhang mit Phaethon vermutet. Möglicherweise gibt es weitere kleinere, bisher unentdeckte Himmelskörper, die einst Teil des gleichen Ursprungskörpers waren und dessen Fragmente wir heute sehen. Außerdem gibt es Hinweise, dass Phaethon mit dem drittgrößten Asteroiden (2) Pallas in Ver bindung stehen könnte oder dass Phaethon in der Vergangenheit aktiver war als heute. Letzteres steht im Einklang mit Berechnungen seiner Umlaufbahn um die Sonne, die zeigen, dass sein Perihel in der Vergangenheit näher an der Sonne war und er somit aktiver gewesen sein könnte.

Der Geminidenstrom ist vermutlich relativ jung: Sein Alter wird mit 2000 bis 3000 Jahren angegeben. Die gesamte Masse aller Materie in der Teilchenwolke ist sehr unsicher und dürfte 10 12 bis 10 Kilogramm betragen. Nimmt man eine Dichte des Asteroidenmaterials von 2,5 Gramm pro Kubikzentimeter an, so entspricht dies einem kugelförmigen Körper von 900 Metern bis 9 Kilometern Durchmesser, wobei das obere Ende dieses Bereichs die Größe von Phaethon übersteigt. Es ist daher sehr unwahrscheinlich, dass die Hauptmasse in der Geminiden-Wolke eine Folge der heutigen Aktivität von Phaethon ist, vielmehr deuten diese Zahlenwerte an, dass die Wolke im Wesentlichen auf die Fragmentation seines Ursprungskörpers zurückgehen dürfte, von dem Phaethon ein bis heute überlebendes Bruchstück ist.

Aus optischen Beobachtungen von hellen Geminiden-Meteoren lässt sich grob die Zusammensetzung des kosmischen Materials bestimmen. Für die Geminiden ergeben solche Untersuchungen einen um bis zu 80 Prozent niedrigeren Natriumgehalt als üblicherweise in Meteoritenmaterial vorhanden ist. Außerdem zeigen die Beobachtungen der einzelnen Partikel starke Variationen im Natriumgehalt. Natrium könnte auf Grund der hohen Temperaturen in Sonnennähe aus Mineralen im Oberflächengestein von Phaethon oder aus den freigesetzten Partikeln bei ihrem Flug durch den Weltraum emittiert werden. Es gibt Hinweise, dass die Freisetzung von Natrium an der Phaethonoberfläche wesentlich zur Aktivität dieses kleinen Himmelskörpers beitragen könnte.

Was geht bei Phaethon vor?

Für Phaethon selbst gestalten sich die Prognosen wesentlich schwieriger, weil bisher nicht bekannt ist, über welchen Mechanismus die Teilchen emittiert werden. Unter der Annahme, dass die Staubwolke um Phaethon ausschließlich Sekundärteilchen enthält, die durch Einschläge von interplanetaren Staubteilchen auf die Phaethonoberfläche entstehen, können wir die Staubdichte in der Umgebung des Kleinkörpers vorhersagen. Diesen Mechanismus haben wir mit unseren Staubmessungen bei den Galileischen Monden von Jupiter erstmals nachgewiesen, und er wurde von unseren Kollegen an der University of Colorado am Erdmond genauer untersucht. Die Freisetzung als Sekundärteilchen funktioniert auf allen Himmelskörpern, deren Oberfläche nicht durch eine Atmosphäre vor Einschlägen geschützt ist. Die Modelle sagen voraus, dass während des nahen Vorbeiflugs mehrere hundert Teilchen aus der Phaethon-Wolke gemessen werden können.

Die Mission DESTINY + zum Asteroiden Phaethon ist ein wichtiger Baustein der Erforschung des Sonnensystems.

Die Teilchen, die durch Phaethons speziellen Emissionsprozess als aktiver Asteroid freigesetzt werden, sind hierin nicht enthalten, da wir die dortigen Vorgänge nicht kennen und folglich nicht vorhersagen können. Vermutlich wird er zu wesentlich höheren Staubdichten führen. Interessanterweise sagen unsere Modelle eine erheblich geringere freigesetzte Staubmasse voraus als aus den Beobachtungen für die Geminiden-Wolke abgeleitet wird. Letztere könnte sogar größer sein als die Gesamtmasse von Phaethon, was darauf hindeutet, dass Phaethon oder dessen Ursprungskörper einst wesentlich größer gewesen sein muss als heute (siehe »Phaethon und die Geminiden«).

Die Mission DESTINY + zum aktiven Asteroiden Phaethon bildet einen weiteren wichtigen Baustein in der Erforschung der kleinen Himmelskörper im Sonnensystem. Im Weltraumforschungsprogramm Japans ergänzt sie die Missionen Hayabusa-1 und-2, die sehr erfolgreich Probenmaterial von zwei Asteroiden zur Erde gebracht haben, sowie die Mission MMX, die im Jahr 2024 zu den Marsmonden Phobos und Deimos starten und 2030 Probenmaterial von Phobos zur Erde bringen soll (siehe SuW 6/2021, S. 34). Im weiteren Umfeld gehört auch die Mission BepiColombo dazu, die seit 2018 zum Merkur unterwegs ist und die neben einer europäischen auch eine japanische Raumsonde mitführt (siehe SuW 10/2018, S. 26). An allen diesen Missionen ist auch Deutschland beteiligt.

Für die Erforschung des kosmischen Staubs liefert uns DESTINY + eine ideale Möglichkeit, unsere bisherigen Untersuchungen mit früheren Raumsonden fortzuführen, aber auch um die vorhandenen Messtechnologien im Hinblick auf zukünftige Missionen weiter zu entwickeln. So arbeiten wir beispielsweise eng mit unseren Kollegen an der University of Colorado zusammen, die ein ähnliches Staubanalyseinstrument für die NASA-Sonde Europa Clipper entwickeln, welche im Jahr 2024 zum Jupitermond Europa aufbrechen soll. Mit Spannung werden auch die Daten der fast zeitgleichen NASA-Mission IMAP (Interstellar Mapping and Acceleration Probe) erwartet, die ebenfalls ein hochentwickeltes Staubteleskop der University of Colorado einsetzt.

Die Untersuchungen der Kleinkörper einschließlich des kosmischen Staubs erlauben uns Einblicke in die Entstehung und die frühe Entwicklung des Sonnensystems. Möglicherweise haben Staubteilchen vor langer Zeit die Grundbausteine für die Entstehung des Lebens auf unseren Heimatplaneten gebracht. Im Erfolgsfall wird DESTINY + viele neue Erkenntnisse über diese ganz frühe Phase und die damals entstandenen Kleinkörper einschließlich Phaethon liefern. Und wie immer, wenn man in Neuland vorstößt, muss man auf das gänzlich Unerwartete vorbereitet sein.

HARALD KRÜGER arbeitet am Max-Planck­Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen. Bei der Mission DESTINY + leitet er das Wissenschaftlerteam um das Staubinstrument DDA und die Modellierungen zur Vorhersage von Staubflüssen im interplanetaren Raum.

RALF SRAMA leitet als Principal Investigator die Entwicklung, den Bau und den zukünftigen Betrieb des Staubinstruments DDA der Mission DESTINY + . Er arbeitet als Privatdozent am Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart und leitet die Forschungsarbeiten zum kosmischen Staub.

Literaturhinweise

Althaus, T.: Asteroid Bennu spuckt Steine. Sterne und Weltraum 5/2019, S. 10 – 11

Arai, T. et al.: Current status of DESTINY + and updated understanding of its target asteroid (3200) Phaethon. 52nd Lunar and Planetary Science Conference Contribution, LPI No. 2548, 1896, 2021

Jaumann, R., Köhler, U.: Einem Asteroiden hautnah – MASCOTS 17 Stunden auf Ryugu. Sterne und Weltraum 6/2020, S. 30 – 40

Krüger, H.: Aktive Asteroiden – Eine neue Gruppe von Kleinkörpern im Sonnensystem. Sterne und Weltraum 10/2013, S. 32 – 37

Krüger, H. et al.: Aufbruch zum Merkur – Die Mission der Raumsonde BepiColombo beginnt. Sterne und Weltraum 10/2018, S. 26 – 34

Krüger, H. et al.: Modelling DESTINY+ interplanetary and interstellar dust measurements en route to the active asteroid (3200) Phaethon. Planetary and Space Science 172, 22 – 42, 2019 doi.org/10.1016/j.pss.2019.04.005

Krüger, H.: Japans Vorstoß zu den Marsmonden. Sterne und Weltraum 6/2021, S. 34 – 42

Müller, T.: Reiche Beute für den Wanderfalken. Sterne und Weltraum 1/2021, S. 48 – 55

Dieser Artikel und Weblinks: www.sterne-und-weltraum.de/ artikel/1917388