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Einschlag auf Dimorphos


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Sterne und Weltraum - epaper ⋅ Ausgabe 12/2022 vom 12.11.2022

ASTEROIDENABWEHR

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Bildquelle: Sterne und Weltraum, Ausgabe 12/2022

Im Zielanflug So ähnlich dürfte die finale Annäherung der Raumsonde DART an den Asteroidenmond wenige Sekunden vor dem Aufschlag ausgesehen haben; der deutlich größere Mutterkörper Didymos befindet sich rechts im Bild (künstlerische Darstellung). NASA/Johns Hopkins APL (

NASA/Johns Hopkins APL ( »illustration of DART 1«)

Zehn Monate war sie unterwegs zu ihrem Ziel, die Raumsonde DART (Double Asteroid Redirection Test, auf Deutsch etwa Doppelasteroiden-Umlenkungstest). Gestartet wurde sie am 24. November 2021 von der Vandenberg Space Force Base in Kalifornien nördlich von Los Angeles. DART war damit die erste Raumsonde der USA, die von der Westküste des Landes zu ihrer Mission auf brach, denn alle anderen NASA-Sonden hoben bislang von Cape Canaveral in Florida ab. Nach ihrem Start bewegte sich DART (englisch: Pfeil) auf einer Umlaufbahn um die Sonne und passte sich der Bahn des erdnahen Doppelasteroiden (65 803) Didymos mit seinem Mond Dimorphos an. Zehn Monate später näherte sich die dann 570 Kilogramm schwere Sonde mit einer relativen Geschwindigkeit von 6,15 Kilometern pro Sekunde (22 140 Kilometern pro Stunde) selbststeuernd dem Mond Dimorphos ...

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... und kollidierte absichtlich mit großer Wucht, wobei DART völlig zerstört wurde (siehe »Im Zielanflug«).

Gezieltes Ablenkmanöver

Die Zielsetzung von DART war es, durch den heftigen Aufschlag der Sonde die Umlaufbahn des Mondes Dimorphos um Didymos durch Abbremsung messbar zu verändern. Im Vorfeld war der Ausgang selbst im Fall eines Treffers unklar, weil die genaue Zusammensetzung und Festigkeit von Dimorphos unbekannt sind. Schlimmstenfalls könnte ein locker zusammengehaltenes Gebilde den Impakt ohne großen Rückstoß absorbieren – ein Ablenkmanöver würde fehlschlagen.

Auf Grund des Impulsübertrags beim Aufschlag wurde Dimorphos gegenüber Didymos abgebremst, so dass sich seine Umlaufdauer um 32 ± 2 Minuten verkürzte, wie die NASA zwei Wochen nach dem Impakt mitteilte. Damit fiel die Bahnänderung deutlich größer aus als erwartet; woran das liegt, muss noch ermittelt werden. Im Vorfeld wurde von minimal 70 Sekunden bis maximal zehn Minuten ausgegangen.

DART ist ein erster Praxisversuch, die Bahn eines Asteroiden aktiv zu beeinflussen. Dies könnte dann wichtig werden, wenn ein Asteroid entdeckt wird, der sich eindeutig auf Kollisionskurs mit der Erde befindet und groß genug ist, bei einem Einschlag beträchtlichen Schaden anzurichten. Derzeit stehen 1423 Asteroiden auf einer Liste (Stand 29. September 2022), die potenziell eines Tages auf der Erde ein-

schlagen könnten. Ein Brocken wie Dimorphos würde die Erdatmosphäre praktisch ungebremst durchdringen und je nach Geschwindigkeit und Zusammensetzung einen bis zu drei Kilometer großen Krater schlagen, ähnlich wie das Steinheimer Becken in Baden-Württemberg. Wie häufig das passiert, da gehen die wissenschaftlichen Meinungen deutlich auseinander. Tatsächlich wurde die Entstehung eines Einschlagkraters im Bereich von zwei bis drei Kilometern Durchmesser in der überlieferten Menschheitsgeschichte von rund 5000 Jahren nicht registriert.

Didymos entpuppt sich als Doppelasteroid

(65803) Didymos, ursprüngliche Entdeckungsbezeichnung 1996 GT, wurde im Jahr 1996 mit dem Spacewatch-Teleskop auf dem Kitt Peak in Arizona im Rahmen einer systematischen Himmelsdurchmusterung nach erdnahen Asteroiden entdeckt. Didymos (griechisch: Zwilling) umrundet die Sonne in 770 Tagen (2,11 Jahren) auf einer elliptischen Bahn mit einer Exzentrizität von e = 0,38. Sie ist zwischen 1,013 und 2,275 Astronomische Einheiten von der Sonne entfernt und um rund drei Grad gegen die Erdbahnebene geneigt. Der Asteroid kann sich der Erdbahn bis auf rund sechs Millionen Kilometer annähern. Am Tag des Einschlags von DART war er etwa elf Millionen Kilometer von uns entfernt.

Didymos gehört zur Gruppe der Apollo-Asteroiden, also Himmelskörpern, die sich der Erdbahn von außerhalb dicht annähern, sie aber nicht schneiden. Benannt ist die Gruppe nach ihrem Prototyp, dem Asteroiden (1862) Apollo, der im Jahr 1932 vom Astronomen Karl Reinmuth von der Sternwarte Heidelberg aus entdeckt wurde. Didymos ist Mitglied der Gruppe der erdnahen Asteroiden, aber auf seiner derzeitigen Bahn kein potenziell gefährliches Objekt, das in absehbarer Zeit auf Kollisionskurs mit der Erde gehen könnte.

Im Jahr 2003 stellte der tschechische Astronom Petr Pravec am Ondrejov-Observatorium anhand von regelmäßigen Helligkeitsschwankungen des Asteroiden fest, dass es sich bei dem damals noch unbenannten Objekt um einen Doppelkörper handelt. Wie weitere Beobachtungen zeigten, besteht das im Jahr 2004 wegen des Nachweises der Doppelkörpernatur Didymos genannte System aus einer 780 Meter großen Hauptkomponente und einem 163 Meter großen Begleiter. Die- ser Begleiter, der später Dimorphos (griechisch: zweigestaltig) genannt wurde, umrundet den Hauptkörper rückläufig in zwölf Stunden. Im Mittel trennen die beiden Himmelskörper nur etwa 1190 Meter voneinander.

Die Raumsonde DART

Die Aufgabe der Mission DART klang auf den ersten Blick simpel: Die Sonde sollte mit großer Wucht auf dem Asteroidenmond Dimorphos einschlagen, bis zur Zerstörung Bilder des sich rasch nähernden Zielobjekts machen und ihn merklich ablenken. Aber wie üblich steckt hier der Teufel im Detail, da es ganz und gar nicht einfach ist, einen nur rund 163 Meter großen Himmelskörper in den Weiten des Sonnensystems zu finden und zu treffen. Der Erfolg der Mission zeigt, dass die interplanetare Navigation mittlerweile so genau ist, um auch winzige Objekte im Sonnensystem aufzuspüren und anzufliegen. Daran hat das Jet Propulsion Laboratory der NASA im kalifornischen Pasadena großen Anteil.

Da die Signallaufzeit von DART zu uns während der Anflug- und Kollisionsphase in einer Richtung rund 80 Sekunden betrug, musste DART vollautomatisch und autonom auf sein Ziel zufliegen. Dazu diente als einziges Instrument und als Hauptsensor der Sonde die Kamera DRACO, die Didymos Reconnaissance and Asteroid Camera for Optical navigation, auf Deutsch etwa »Didymos-Fernaufklärungs- und Asteroidenkamera für optische Navigation«. DRACO bestand aus einem 21-Zentimeter-Spiegelteleskop des Typs Ritchey-Chrétien mit 2620 Millimeter Brennweite und einem Blickfeld von 0,29 Grad. Ihr CMOS-Sensor war zwischen 400 und 1000 Nanometern empfindlich, reichte also ein wenig ins nahe Infrarot hinein. Die Schwarz-Weiß-Kamera ist eine Ableitung der LORRI-Kamera an Bord der Pluto-Sonde New Horizons (siehe SuW 7/2015, S. 32), so dass nur wenig Entwicklungsaufwand notwendig war, was die Kosten gering hielt. Ihre Aufgabe war nicht nur die Übermittlung von Bildern der beiden Himmelskörper des Didymos-Systems und vor allem des Zielobjekts Dimorphos; sondern die Bilddaten wurden vom Bordcomputer auch dazu genutzt, DART wie einen Marschflugkörper direkt ins Ziel zu lenken.

Aufprall auf Dimorphos

DART schlägt auf Dimorphos ein: watch?v=N-OvnVdZP_8

Diese Ansichten von Didymos und Dimorphos entstanden in den letzten 150 Sekunden des Kamikaze-Flugs von DART: Bild A wurde aus einer Entfernung von 920 Kilometern aufgenommen und zeigt das Ziel Dimorphos in der Bildmitte und den Hauptkörper Didymos rechts unten. Bild B enthüllt aus 68 Kilometer Abstand den rund 160 Meter großen Himmelskörper als eine Geröllhalde aus losen Gesteinsbruchstücken. Dieser Eindruck verstärkt sich in Bild C weiter, das aus zwölf Kilometer Entfernung aufgenommen wurde. Bild D wurde als letzte Aufnahme vollständig zur Erde übermittelt. Nur noch ein Fünftel des allerletzten Bilds von DART erreichte noch die Erde, als die Sonde beim Einschlag zerstört wurde (Bild E).

Die Raumsonde DART selbst war ein annähernd würfelförmiges Objekt mit den Dimensionen 1,2 × 1,3 × 1,3 Meter und ei-ner Masse von 610 Kilogramm im voll getankten Zustand. Auf zwei Seiten des Würfels erstreckten sich zwei 8,5 Meter lange Solarzellenausleger zur Stromversorgung, was DART auf eine Gesamtspannweite von 19 Metern brachte. Die große Solarzellenfläche mit 22 Quadratmetern war nötig, um das Ionentriebwerk der Sonde mit 3,5 Kilowatt elektrischer Leistung für seine Schubmanöver zu versorgen (siehe SuW 5/2021, S. 38). Allerdings zeigte sich bald nach Beginn des Fluges, dass das Ionentriebwerk zu hohe Stromstärken zog. Daher wurde auf seinen Betrieb verzichtet, und man griff auf die konventionellen Schubdüsen für die Bahnkontrolle zurück. Der Einschuss von DART auf ihre Sonnenumlaufbahn mit einer Trägerrakete vom Typ Falcon 9 war so exakt erfolgt, dass die Steuerdüsen ausreichten, die Sonde auf Kurs zu halten. Wäre DART beim Anflug am 27. September 2022 an Dimorphos vorbeigerast, wäre es möglich gewesen, mittels des Ionentriebwerks nach zwei Jahren Flugzeit nochmals zum Asteroiden zurückzukehren – was nun nicht mehr zur Debatte steht.

Minisatellit LICIACube schaute zu Auf einer der Würfelflanken von DART war ein Fach für den Subsatelliten LICIA-Cube angebracht, der zwei Wochen vor Erreichen des Ziels abgeworfen wurde. LICIACube wurde von der italienischen Raumfahrtbehörde Agenzia Spaziale Italiana (ASI) beigesteuert. Das längliche Akronym steht für Light Italian CubeSat for Imaging of Asteroids, auf Deutsch etwa »leichter italienischer CubeSat für das Abbilden von Asteroiden«. LICIACube war etwa so groß wie ein Schuhkarton und wog nur 14 Kilogramm. Der Subsatellit flog nach dem Absetzen autonom, passierte Dimorphos nach dem Einschlag unbeschädigt und ist auch nach der Zerstörung von DART aktiv.

LICIACube ist mit zwei Kameras ausgestattet, die nach zwei Figuren aus dem Star-Wars-Franchise benannt wurden, nämlich LUKE und LEIA. LUKE steht für LICIACube Unit Key Explorer und ist eine Farbkamera mit einem Blickfeld von fünf Grad. LEIA steht für LICIACube Explorer Imaging for Asteroid; die Schwarz-Weiß-Kamera hat ein Blickfeld von rund zwei Grad und erreichte bei der dichtesten Annäherung an Dimorphos eine beste Auflösung von 1,4 Metern pro Bildelement.

LICIACube wurde von DART mit einer relativen Geschwindigkeit von vier Kilometern pro Stunde ausgesetzt; der geringe Geschwindigkeitsunterschied reichte aus, um die Ankunft bei Dimorphos gegenüber der Hauptsonde um zwei Minuten und 45 Sekunden zu verzögern. Außerdem steuerte der Minisatellit mittels Kaltgasdüsen seine Bahn so, dass er den Asteroidenmond im Abstand von 55 Kilo-metern passierte. Während des Vorbeiflugs und des Einschlags von DART konnte LICIACube mit beiden Kameras insgesamt 640 Bilder des Asteroiden aufnehmen, die nun nach und nach zur Erde übertragen werden.

Immer mehr Details beim Anflug

Während des rund zehnmonatigen Flugs zu Didymos wurde DART immer wieder in ihren Funktionen getestet und die Bahn, falls nötig, durch Schubmanöver korrigiert. Zudem überprüften die Techniker die Kamera DRACO auf Funk- tion und Bildqualität. Zwei Monate vor dem Aufschlag wurde durch die Addition von 243 Bildern von DRACO der Asteroid Didymos erstmals als schwacher Lichtpunkt am Himmel sichtbar gemacht. Aber erst etwa zwei Wochen vor dem Erreichen des Ziels erfasste DRACO den Asteroiden dann als schwachen beweglichen Lichtpunkt vor dem Hintergrund des Sternenhimmels, was die Genauigkeit der Navigation bestätigte. Die Helligkeit legte in den Folgetagen durch die rasche Annäherung schnell zu, jedoch konnten erste Andeutungen der Form von Didymos weniger als einen Tag vor dem Aufschlag ausgemacht werden.

Ab vier Stunden vor dem Aufschlag flog DART völlig autonom ohne Steuerbefehle von der Bodenstation. Eine Stunde vor dem Aufprall erstreckte sich der größere Didymos auf den DRACO-Bildern gerade einmal über eine Breite von sieben Pixeln, als DART noch etwa 22 000 Kilometer vom Ziel trennten. Dimorphos war zu dieser Zeit gerade als ein einzelnes Pixel sichtbar.

Vier Minuten vor dem Aufschlag bei einer Entfernung von nur noch 1500 Ki-lometern erstreckte sich Didymos über 107 Pixel und Dimorphos auf 22 Pixel. Zwei Minuten später, in einer Distanz von 740 Kilometern, driftete Didymos aus dem Bildfeld von DRACO hinaus, während sich Dimorphos nun über 45 Pixel ausdehnte. Zwei Sekunden vor dem Aufschlag wurde das letzte vollständig übertragene Bild aus einer Entfernung von zwölf Kilometern aufgenommen; es besitzt eine räumliche Auflösung von zirka zehn Zentimetern pro Pixel, die Bildbreite beträgt 31 Meter. Vom allerletzten Bild aus einer Entfernung von sechs Kilometern wurde gerade noch ein Fünftel mit einer Breite von 16 Metern übermittelt, als die Sonde zerstört wurde.

Wie im Vorfeld der Mission erwartet, stellte sich Dimorphos auf den Bildern von DART als ein Geröllhaufen aus losen Gesteinstrümmern heraus, wie es auch schon die Raumsondenaufnahmen der Asteroiden Ryugu mit 500 Meter Durchmesser und Bennu mit rund einem Kilometer Ausdehnung zeigten (siehe SuW 5/2019, S. 10, und SuW 1/2021, S. 48). Tatsächlich lassen sich die Himmelskörper auf Nahaufnahmen kaum unterscheiden.

Im Visier von LICIACube Während DART bei der Ankunft zerstört wurde, konnte LICIACube den Anflug, den Einschlag und dessen Folgen aufzeichnen. Zum Redaktionsschluss war nur ein Bruchteil der 640 an Bord des Satelliten gespeicherten Bilder übertragen, da LICIACube auf Grund seiner geringen Größe einen sehr leistungsschwachen Sender besitzt. Er übermittelt die Bilder mit einer Datenrate von nur 125 Bit pro Sekunde über die großen Antennen des Deep Space Network der NASA zur Erde. Rund ein halbes Dutzend Bilder liegt bereits vor, die interessante Einzelheiten zeigen. Der Einschlag von DART führte zum Auswurf großer Mengen an Asteroidentrümmern, die sich fächerförmig vom Auftreffpunkt in den umgebenden Raum ausbreiteten. Dabei verteilten sich die Trümmer nicht gleichmäßig im Raum, sondern in zum Teil radial auslaufenden Streifen, die ein wenig an eine Spinne erinnerten. Die Trümmerwolke konnte auch mit irdischen Teleskopen von der Südhalbkugel der Erde aus verfolgt werden. Zuerst kam es beim Einschlag zu einer markanten Aufhellung, dann dehnte sich die Wolke aus Auswurfmaterial immer weiter aus. Schließlich verblasste sie wieder, da die Trümmer stetig weiter auseinander in den Weltraum trieben und dem schwachen Schwerefeld des Didymos-Systems für immer entkamen. Für mehrere Wochen bildete Dimorphos auch bis zu 10 000 Kilometer lange Staubschweife aus feinen Partikeln aus und ähnelte einem Kometen (siehe »Der Einschlag aus der Ferne«).

Weitere Zuschauer

Auch die Weltraumteleskope Hubble und James Webb verfolgten den Einschlag. Bei den JWST-Bildern war die Trümmerwolke schwieriger zu erkennen, da Lichtstreuungseffekte in der Optik die Aufnahmen störten, während sie sich auf den Hubble-Bildern recht deutlich zeigte. Mit beiden Teleskopen gelangen Reihenaufnahmen, welche die Ausbreitung der ausgeworfenen Trümmer und Staubwolken über viele Stunden hinweg dokumentierten. Zuerst kam es zu einer markanten Aufhellung des Didymos-Systems, dann breitete sich eine Staubwolke mit vielen Strahlen in die Umgebung aus.

Amateurbeobachter im südlichen Afrika und auf der Insel Réunion im Indischen Ozean sichteten den Einschlag. Hierfür hatte die Europäische Raumfahrtagentur ESA eigens eine Kampagne organisiert. Das ATLAS-Teleskop in Südafrika, Teil des Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System mit einer Öffnung von einem halben Meter, konnte den Einschlag ebenfalls gut verfolgen. Das Gleiche gelang mit dem 4,1-Meter-Teleskop SOAR, dem Southern Astrophysical Research Telescope auf dem Cerro Tololo in Chile (siehe »Asteroid mit Staubschweifen«). Die freigesetzte Staubwolke dehnte sich rasch aus, und etwa eine Stunde später hatte sie die Größe der Erde übertroffen – was die Ergebnisse von Hubble und James Webb bestätigte. Auch mit dem Canada France Hawaii Telescope (CFHT) mit 3,6 Meter Spiegeldurchmesser gelangen gute Aufnahmen der Staubwolke und der bizarren Strukturen der freigesetzten Trümmer. Inzwischen läuft die Auswertung aller Bilder von DART, LICIACube, der Weltraumteleskope und der erdgebundenen Instrumente auf Hochtouren.

Wie geht es weiter? In rund vier Jahren werden wir hoffentlich neue Detailbilder von den beiden Himmelskörpern Dimorphos und Didymos erhalten. Die ESA plant Ende 2024 den Start ihrer Raumsonde Hera, die nach zwei Jahren Flug den Doppelasteroiden erreichen und sich im Gegensatz zu DART für längere Zeit in seiner unmittelbaren Nähe aufhalten wird. Hera ist mit zahlreichen unterschiedlichen Messinstrumenten und vor allem mit Kameras ausgestattet. So kann sie beide Himmelskörper im Detail charakterisieren. Unter anderem soll ermittelt werden, aus welchen Stoffen beide Objekte bestehen und ob sie identisch zusammengesetzt sind. Des Weiteren wird Hera zwei Subsatelliten ähnlich LICIA-Cube absetzen, die beide Asteroiden aus den unterschiedlichsten Blickwinkeln erforschen werden. Dabei soll das Sondengespann untersuchen, ob der Einschlag von DART auf Dimorphos einen Krater geschaffen hat und – falls das so ist – wie dieser aussieht. Möglicherweise sind die Trümmer von DART im Inneren der fliegenden Geröllhalde verschwunden, ohne dass sich ein Krater bildete. Weiterhin lässt sich mit Hera präzise feststellen, wie stark sich die Bahn von Dimorphos genau verändert hat. Wir müssen uns demnach noch etwas gedulden.

Ursprünglich war bei der Entwicklung von DART unter der Bezeichnung AIDA (Asteroid Impact & Deflection Assessment) von NASA und ESA geplant, den Einschlag von DART mittels der europäischen Raumsonde AIM (Asteroid Impact Mission) zu beobachten und die Folgen unmittelbar danach zu untersuchen. Allerdings fiel AIM bei den Budgetverhandlungen des ESA-Ministerrats im Jahr 2016 durch, so dass die Sonde nicht gebaut wurde. Erst drei Jahre später wurden dann die Finanzmittel für die Mission bewilligt, die nun den Namen Hera erhielt. Leider hat somit die Sonde Hera den Einschlag von DART bei ihrer Ankunft um vier Jahre verpasst und kann nun nur nachträgliche Aufklärung betreiben. ?

Tilmann Althaus ist promovierter Geowissenschaftler und Mineraloge und seit 2002 Redakteur von »Sterne und Weltraum«. Er befasst sich vor allem mit Them enzur Raumfahrt und Planetenforschung.

Literaturhinweise

Althaus, T.: Vorstoß zu Pluto. Sterne und Weltraum 7/2015, S. 32–40 Althaus, T.: Asteroid Bennu spuckt Steine. Sterne und Weltraum 5/2019, S. 10–11 Holste, K., Klar, P. J.: Elektrisch durchs All. Sterne und Weltraum 5/2021, S. 38–48 Müller, T.: Reiche Beute für den Wanderfalken – Die Sonde Hayabusa-2 kehrt zur Erde zurück. Sterne und Weltraum 1/2021, S. 48–55

Ein ATLAS-Teleskop beobachtet den Einschlag von DART: watch?v=4SfjEZ5HVsU

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Didaktische Materialien: artikel/1156157