Der Halleysche Komet. Bildnachweis: MPAE. Klicken um zu vergrößern.
Als emeritierter Professor des Max-Planck-Instituts widmet sich Dr. Kissel ein Leben lang der Erforschung von Kometen. „Zu Beginn des 20. Jahrhunderts führten die Kometenschwänze zur Postulation und später zur Entdeckung des‚ Sonnenwinds ', eines Stroms ionisierter Atome, der ständig von der Sonne weggeblasen wird. Mit zunehmender Stärke der astronomischen Beobachtungen konnten immer mehr Bestandteile identifiziert werden, sowohl Festkörperpartikel als auch gasförmige Moleküle, neutral und ionisiert. “ Als unsere Techniken zur Untersuchung dieser Besucher des äußeren Sonnensystems verfeinert wurden, haben wir auch unsere Theorien darüber, woraus sie bestehen könnten - und wie sie aussehen. Kissel sagt: „Es wurden viele Modelle vorgeschlagen, um das dynamische Erscheinungsbild eines Kometen zu beschreiben, von dem Fred Whipples anscheinend das vielversprechendste war. Es postulierte einen Kern aus Wassereis und Staub. Unter dem Einfluss der Sonne würde das Wassereis Staubpartikel auf seinem Weg sublimieren und beschleunigen. “
Trotzdem waren sie ein Rätsel - ein Rätsel, das die Wissenschaft unbedingt lösen wollte. "Erst als Halley bekannt wurde, dass viele Kometen Teil unseres Sonnensystems sind und die Sonne umkreisen, genau wie die Planeten, nur auf anderen Umlaufbahnen und mit zusätzlichen Effekten aufgrund der Emission von Materialien." Kommentare Kissel. Aber nur wenn wir einem Kometen ganz nah kamen, konnten wir weit mehr entdecken. Mit Halleys Rückkehr in unser inneres Sonnensystem wurde geplant, einen Kometen zu fangen, und sein Name war Giotto.
Giottos Mission war es, Farbfotos des Kerns zu erhalten, die Element- und Isotopenzusammensetzung flüchtiger Komponenten im Kometenkoma zu bestimmen, die Ausgangsmoleküle zu untersuchen und uns zu helfen, die physikalischen und chemischen Prozesse zu verstehen, die in der Kometenatmosphäre und der Ionosphäre ablaufen. Giotto wäre der erste, der die makroskopischen Systeme von Plasmaströmen untersucht, die sich aus der Wechselwirkung zwischen Kometen und Sonnenwind ergeben. Ganz oben auf der Prioritätenliste stand die Messung der Gasproduktionsrate und die Bestimmung der Element- und Isotopenzusammensetzung der Staubpartikel. Ausschlaggebend für die wissenschaftliche Untersuchung war der Staubfluss - seine Größe und Massenverteilung sowie das entscheidende Staub-Gas-Verhältnis. Während die Bordkameras den Kern aus einer Entfernung von 596 km abbildeten und seine Form und Größe bestimmten, überwachte er auch Strukturen im Staubkoma und untersuchte das Gas sowohl mit Neutral- als auch mit Ionenmassenspektrometern. Wie die Wissenschaft vermutete, stellte die Giotto-Mission fest, dass das Gas überwiegend Wasser war, aber es enthielt Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, verschiedene Kohlenwasserstoffe sowie eine Spur von Eisen und Natrium.
Als Teamforschungsleiter für die Giotto-Mission erinnert sich Dr. Kissel: „Als die ersten Nahmissionen zum Kometen 1P / Halley kamen, wurde 1986 ein Kern eindeutig identifiziert. Es war auch das erste Mal, dass Staubpartikel, der Komet, auftraten Die freigesetzten Gase wurden in situ analysiert, dh ohne von Menschen verursachte Störungen oder Rücktransporte zum Boden. “ Es war eine aufregende Zeit in der Kometenforschung. Dank Giottos Instrumentierung konnten Forscher wie Kissel jetzt Daten wie nie zuvor untersuchen. „Diese ersten Analysen haben gezeigt, dass Partikel eine innige Mischung aus massereichem organischem Material und sehr kleinen Staubpartikeln sind. Die größte Überraschung war sicherlich der sehr dunkle Kern (der nur 5% des auf ihn strahlenden Lichts reflektiert) und die Menge und Komplexität des organischen Materials. “
Aber war ein Komet wirklich etwas mehr oder nur ein schmutziger Schneeball? "Bis heute gibt es meines Wissens keine Messung, die das Vorhandensein von festem Wassereis auf einer Kometenoberfläche zeigt." Kissel sagt: „Wir haben jedoch festgestellt, dass Wasser (H2O) als Gas durch chemische Reaktionen freigesetzt werden kann, wenn der Komet zunehmend von der Sonne erwärmt wird. Der Grund könnte "latente Wärme" sein, d. H. Energie, die im sehr kalten Kometenmaterial gespeichert ist und die Energie durch intensive kosmische Strahlung aufnimmt, während der Staub durch Bindungsbruch durch den interstellaren Raum wandert. Sehr nah an dem Modell, für das der verstorbene J. Mayo Greenberg seit Jahren argumentiert. “
Wir wissen jetzt, dass der Komet Halley aus dem primitivsten Material bestand, das uns im Sonnensystem bekannt ist. Mit Ausnahme von Stickstoff waren die gezeigten Lichtelemente im Überfluss ziemlich ähnlich wie die unserer eigenen Sonne. Es wurde festgestellt, dass mehrere tausend Staubpartikel Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff sowie mineralbildende Elemente wie Natrium, Magnesium, Silizium, Calcium und Eisen sind. Da die leichteren Elemente weit entfernt vom Kern entdeckt wurden, wussten wir, dass es sich nicht um kometäre Eispartikel handelte. Aus unseren Studien zur Chemie interstellarer Gase, die Sterne umgeben, haben wir gelernt, wie Kohlenstoffkettenmoleküle auf Elemente wie Stickstoff, Sauerstoff und in einem sehr kleinen Teil Wasserstoff reagieren. In der extremen Kälte des Weltraums können sie polymerisieren und die molekulare Anordnung dieser Verbindungen ändern, um neue zu bilden. Sie hätten die gleiche prozentuale Zusammensetzung des Originals, aber ein größeres Molekulargewicht und unterschiedliche Eigenschaften. Aber was sind diese Eigenschaften?
Dank einiger sehr genauer Informationen aus der engen Begegnung der Sonde mit dem Kometen Halley haben Ranjan Gupta vom Interuniversitären Zentrum für Astronomie und Astrophysik (IUCAA) und seine Kollegen einige sehr interessante Erkenntnisse über die Zusammensetzung und Streuung von Kometenstaub gewonnen. Da die ersten Missionen zu Kometen „Vorbeiflüge“ waren, wurde das gesamte aufgenommene Material vor Ort analysiert. Diese Art der Analyse zeigte, dass Kometenmaterialien im Allgemeinen eine Mischung aus Silikaten und Kohlenstoff in amorpher und kristalliner Struktur sind, die in der Matrix gebildet wird. Sobald das Wasser verdunstet ist, reichen die Größen dieser Körner von Submikron bis Mikron und sind von Natur aus hochporös - sie enthalten nicht kugelförmige und unregelmäßige Formen.
Laut Gupta basierten die meisten frühen Modelle der Lichtstreuung an solchen Körnern „auf festen Kugeln mit konventioneller Mie-Theorie und erst in den letzten Jahren - als die Weltraummissionen starke Beweise dafür lieferten - wurden neue Modelle entwickelt, bei denen dies nicht der Fall war -kugelförmige und poröse Körner wurden verwendet, um das beobachtete Phänomen zu reproduzieren. “ In diesem Fall wird vom Kometen aus dem einfallenden Sonnenlicht eine lineare Polarisation erzeugt. Auf eine Ebene beschränkt - die Richtung, aus der das Licht gestreut wird - variiert es je nach Position, wenn sich der Komet der Sonne nähert oder von ihr zurücktritt. Wie Gupta erklärt: "Ein wichtiges Merkmal dieser Polarisationskurve gegenüber dem Streuwinkel (bezogen auf die Sonne-Erde-Kometen-Geometrie) ist, dass es einen gewissen Grad an negativer Polarisation gibt."
Diese als "Rückstreuung" bekannte Negativität tritt bei der Überwachung einer einzelnen Wellenlänge auf - monochromatisches Licht. Der Mie-Algorithmus modelliert alle akzeptierten Streuprozesse, die durch eine Kugelform verursacht werden, unter Berücksichtigung der externen Reflexion, mehrerer interner Reflexionen, Transmission und Oberflächenwellen. Diese Intensität des gestreuten Lichts wirkt als Funktion des Winkels, wobei 0? impliziert Vorwärtsstreuung, weg von der ursprünglichen Richtung des Lichts, während 180? impliziert Rückstreuung - Zurück vergibt die Lichtquelle.
Laut Gupta ist "Rückstreuung bei den meisten Kometen im Allgemeinen in den sichtbaren Bändern und bei einigen Kometen in den Nahinfrarotbändern (NIR) zu beobachten." Gegenwärtig haben Modelle, die versuchen, diesen Aspekt der negativen Polarisation bei hohen Streuwinkeln zu reproduzieren, nur sehr begrenzten Erfolg.
Ihre Studie hat eine modifizierte DDA (diskrete Dipolnäherung) verwendet - wobei angenommen wird, dass jedes Staubkorn eine Anordnung von Dipolen ist. Eine Vielzahl von Molekülen kann Bindungen enthalten, die zwischen den Extremen ionisch und kovalent liegen. Dieser Unterschied zwischen den Elektronegativitäten der Atome in den Molekülen reicht aus, um die Elektronen nicht gleichmäßig zu teilen - ist aber klein genug, dass die Elektronen nicht nur von einem der Atome angezogen werden, um positive und negative Ionen zu bilden. Diese Art der Bindung in Molekülen ist als polar bekannt. weil es positive und negative Enden - oder Pole - hat und die Moleküle ein Dipolmoment haben.
Diese Dipole interagieren miteinander, um Lichtstreuungseffekte wie Extinktion zu erzeugen - Kugeln, die größer als die Wellenlänge des Lichts sind, blockieren monochromatisches und weißes Licht - und Polarisation - die Streuung der Welle des einfallenden Lichts. Bei Verwendung eines Modells von Verbundkörnern mit einer Matrix aus Graphit- und Silikatsphäroiden kann ein sehr spezifischer Korngrößenbereich erforderlich sein, um die beobachteten Eigenschaften in Kometenstaub zu erklären. „Unser Modell ist jedoch auch nicht in der Lage, den negativen Polarisationszweig zu reproduzieren, der bei einigen Kometen beobachtet wird. Nicht alle Kometen zeigen dieses Phänomen im NIR-Band von 2,2 Mikrometern. “
Diese von Gupta et al. müssen weiter verfeinert werden, um den negativen Polarisationszweig sowie den Polarisationsgrad in verschiedenen Wellenlängen zu erklären. In diesem Fall handelt es sich um einen Farbeffekt mit einer höheren Polarisation in Rot als in grünem Licht. Weitere Laborsimulationen von Verbundkörnern stehen an und „Die Untersuchung ihrer Lichtstreuungseigenschaften wird bei der Verfeinerung solcher Modelle hilfreich sein.“
Die erfolgreichen Anfänge der Menschheit, diesem Kometenstaubpfad zu folgen, begannen mit Halley. Vega 1, Vega 2 und Giotto lieferten die Modelle, die für eine bessere Forschungsausrüstung erforderlich waren. Im Mai 2000 wurde Drs. Franz R. Krueger und Jochen Kissel vom Max-Planck-Institut veröffentlichten ihre Ergebnisse als „Erste direkte chemische Analyse von interstellarem Staub“. Dr. Kissel sagt: „Drei unserer Staubstoß-Massenspektrometer (PIA an Bord von GIOTTO und PUMA-1 und -2 an Bord von VEGA-1 und -2) sind auf den Kometen Halley gestoßen. Mit diesen konnten wir die elementare Zusammensetzung des Kometenstaubs bestimmen. Die molekulare Information war jedoch nur marginal. “ Die enge Begegnung von Deep Space 1 mit dem Kometen Borrelly lieferte die besten Bilder und anderen wissenschaftlichen Daten, die bisher erhalten wurden. Im Borelly-Team antwortet Dr. Kissel: „Die jüngste Mission in Borrelly (und STARDUST) zeigte faszinierende Details der Kometenoberfläche wie steile 200 m hohe Hänge und Türme mit einer Breite von 20 m und einer Höhe von 200 m.“
Trotz der vielen Probleme der Mission erwies sich Deep Space 1 als voller Erfolg. Laut Dr. Mark Raymans Missionsprotokoll vom 18. Dezember 2001 wird „die Fülle der von dieser Mission zurückgegebenen wissenschaftlichen und technischen Daten analysiert und für die kommenden Jahre verwendet. Das Testen von fortschrittlichen Technologien mit hohem Risiko bedeutet, dass viele wichtige zukünftige Missionen, die sonst unerschwinglich oder sogar unmöglich gewesen wären, in unserer Reichweite sind. Und wie alle makroskopischen Leser wissen, bietet die reiche wissenschaftliche Ernte des Kometen Borrelly Wissenschaftlern faszinierende neue Einblicke in diese wichtigen Mitglieder der Familie des Sonnensystems. “
Jetzt ist Stardust noch einen Schritt weiter gegangen. Wenn diese primitiven Partikel aus Comet Wild 2 gesammelt werden, werden die Staubkörner sicher in Aerogel gelagert, damit sie nach der Rückkehr der Sonde untersucht werden können. Donald Brownlee von der NASA sagt: „Kometenstaub wird auch in Echtzeit mit einem Flugzeit-Massenspektrometer untersucht, das von dem PIA-Instrument abgeleitet ist, das auf der Giotto-Mission zum Kometen Halley transportiert wurde. Dieses Instrument wird Daten zu organischen Partikelmaterialien liefern, die das Einfangen von Aerogel möglicherweise nicht überleben, und es wird einen unschätzbaren Datensatz liefern, mit dem die Diversität zwischen Kometen durch Vergleich mit Halley-Staubdaten bewertet werden kann, die mit derselben Technik aufgezeichnet wurden. “
Diese Teilchen könnten eine Antwort enthalten, die erklärt, wie interstellarer Staub und Kometen Leben auf der Erde hervorgebracht haben könnten, indem sie die physikalischen und chemischen Elemente liefern, die für ihre Entwicklung entscheidend sind. Laut Browlee "hat Stardust Tausende von Kometenpartikeln eingefangen, die von Forschern auf der ganzen Welt zur detaillierten Analyse auf die Erde zurückgebracht werden." Mit diesen Staubproben können wir auf etwa 4,5 Milliarden Jahre zurückblicken und uns über die grundlegende Natur interstellarer Körner und anderer fester Materialien - die Bausteine unseres eigenen Sonnensystems - informieren. Beide Atome auf der Erde und in unserem eigenen Körper enthalten dieselben Materialien wie Kometen.
Und es wird immer besser. Auf dem Weg zum Kometen Kometen 67 P / Churyumov-Gerasimenko wird Rosetta von der ESA tiefer in das Geheimnis der Kometen eintauchen, wenn sie versucht, erfolgreich auf der Oberfläche zu landen. Laut ESA messen Geräte wie „Grain Impact Analyzer and Dust Accumulator (GIADA)“ die Anzahl, Masse, den Impuls und die Geschwindigkeitsverteilung von Staubkörnern, die vom Kometenkern und aus anderen Richtungen (reflektiert durch den Sonnenstrahlungsdruck) kommen Das Micro-Imaging Dust Analysis System (MIDAS) untersucht die Staubumgebung um den Kometen. Es wird Informationen zu Partikelpopulation, Größe, Volumen und Form liefern. “
Ein einzelnes Kometenteilchen könnte aus Millionen einzelner interstellarer Staubkörner bestehen, was uns neue Einblicke in galaktische und nebuläre Prozesse ermöglicht und unser Verständnis von Kometen und Sternen verbessert. So wie wir unter Laborbedingungen Aminosäuren hergestellt haben, die simulieren, was in einem Kometen vorkommen kann, wurden die meisten unserer Informationen indirekt erhalten. Durch das Verständnis von Polarisation, Wellenlängenabsorption, Streuungseigenschaften und der Form eines Silikatmerkmals gewinnen wir wertvolles Wissen über die physikalischen Eigenschaften dessen, was wir noch erforschen müssen. Rosettas Ziel wird es sein, einen Lander zum Kern eines Kometen zu tragen und ihn an der Oberfläche einzusetzen. Die Lander-Wissenschaft wird sich auf die In-situ-Untersuchung der Zusammensetzung und Struktur des Kerns konzentrieren - eine beispiellose Untersuchung von Kometenmaterial - und Forschern wie Dr. Jochen Kissel wertvolle Informationen liefern.
Am 4. Juli 2005 wird die Deep Impact-Mission im Kometentempel 1 eintreffen. Unter seiner Oberfläche können noch mehr Antworten liegen. Um einen neuen Krater auf der Oberfläche des Kometen zu bilden, wird eine Masse von 370 kg freigesetzt, um die sonnenbeschienene Seite von Tempel 1 zu treffen. Das Ergebnis wird das frische Ausstoßen von Eis- und Staubpartikeln sein und unser Verständnis über Kometen durch Beobachtung der Aktivitätsänderungen fördern. Das vorbeifliegende Fahrzeug überwacht die Struktur und Zusammensetzung des Kraterinneren und leitet die Daten an den Kometenstaubexperten der Erde, Kissel, zurück. „Deep Impact wird der erste sein, der ein natürliches Ereignis simuliert, den Aufprall eines festen Körpers auf einen Kometenkern. Der Vorteil ist, dass die Aufprallzeit bekannt ist und ein ordnungsgemäß ausgerüstetes Raumschiff zum Zeitpunkt des Aufpralls in der Nähe ist. Dies wird definitiv Informationen darüber liefern, was sich unter den Oberflächen befindet, von denen wir Bilder von den vorherigen Missionen haben. Viele Theorien wurden formuliert, um das thermische Verhalten des Kometenkerns zu beschreiben, wobei dicke oder dünne Krusten und andere Merkmale erforderlich sind. Ich bin sicher, dass all diese Modelle nach dem Deep Impact durch neue ergänzt werden müssen. "
Nach einem Leben in der Kometenforschung folgt Dr. Kissel immer noch der Staubspur: „Es ist die Faszination der Kometenforschung, dass es nach jeder neuen Messung neue Fakten gibt, die uns zeigen, wie falsch wir waren. Und das ist immer noch auf einer ziemlich globalen Ebene. “ Wenn sich unsere Methoden verbessern, verbessert sich auch unser Verständnis dieser Besucher aus der Oort Cloud. Kissel sagt: "Die Situation ist nicht einfach und so viele einfache Modelle beschreiben die globalen Kometenaktivitäten ziemlich gut, während Details noch ausgearbeitet werden müssen und Modelle einschließlich der chemischen Aspekte noch nicht verfügbar sind." Für einen Mann, der von Anfang an dabei war, setzt die Arbeit mit Deep Impact eine bemerkenswerte Karriere fort. "Es ist aufregend, ein Teil davon zu sein", sagt Dr. Kissel, "und ich bin gespannt, was nach dem Deep Impact passiert, und dankbar, ein Teil davon zu sein."
Zum ersten Mal werden Studien weit unter die Oberfläche eines Kometen gehen und seine unberührten Materialien enthüllen - unberührt seit seiner Entstehung. Was lag unter der Oberfläche? Hoffen wir, dass die Spektroskopie Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff zeigt. Es ist bekannt, dass diese organische Moleküle produzieren, beginnend mit den basischen Kohlenwasserstoffen wie Methan. Werden diese Prozesse komplexer, um Polymere herzustellen? Finden wir die Basis für Kohlenhydrate, Saccharide, Lipide, Glyceride, Proteine und Enzyme? Das Folgen einer Staubspur könnte sehr wohl zur Gründung der spektakulärsten aller organischen Substanzen führen - der Desoxyribonukleinsäure-DNA.
Geschrieben von Tammy Plotner
