Komete Tempel 1 und Mission Deep Impact

Deep Impact

31. August 2005

Am 4. Juli wurde bekannt, dass die Sonde „Deep Impact“ einen 410 Kilogramm schweren Modul aus Kupfer abgegeben hatte, der mit der Kometen Tempel 1 kollidierte, die im April 1867 vom marsellesischen Astronomen E.W. Tempel mit bloßem Auge entdeckt wurde.

Der Himmelskörper hat eine Umlaufzeit von 5,5 Jahren und bewegt sich zwischen Mars und Jupiter. Seine größte Ausdehnung wird auf etwa 6 Kilometer geschätzt. Die NASA hat daher eine Sonde gestartet, deren Ziel darin bestand, mehr über die Zusammensetzung und innere Struktur von Kometen herauszufinden, indem ein Objekt direkt in einen der Kometen hinein geschleudert wurde.

Hier sind die Bahnen:

Bahn der Kometen Tempel 1 zwischen Mars und Jupiter. Beobachten Sie, wie stark die Bahn des Merkur bei seinem nächsten Sonnennähe nicht kreisförmig ist. Oben auf der braunen Bahn befindet sich die Position der Kometen zum Zeitpunkt des Starts der Sonde. Die blaue kreisförmige Bahn ist die der Erde. Oben befindet sich die Position der Erde zum Zeitpunkt des Starts der Sonde. Sechs Monate später (eine halbe Erdumlaufbahn) erfolgt der Aufprall. Messen Sie die gekrümmten Strecken, die Komet und Sonde in derselben Zeitspanne zurücklegen. Der Komet bewegt sich schneller.

Eine Ergänzung zur Aufprallbahn: Unter folgender Adresse

http://deepimpact.umd.edu/amateur/where_is.shtml

finden Sie eine sehr schöne Animation.

Zunächst sehen Sie zwei Schaltflächen, mit denen Sie den „Blickwinkel“ verändern können. So erkennen Sie, dass die Bahn der Kometen Tempel 1 relativ stark gegenüber der Ekliptik geneigt ist.

Genau diese Neigung hat ihr Überleben ermöglicht. Es gibt verschiedene Arten von Kometen. Einige, sogenannte „apériodische“ Kometen, machen nur eine einzige Reise durch unser Sonnensystem und verschwinden danach. Die genaue Struktur dieses riesigen „Nebels“, dieses Kometenreservoirs, das vermutlich weit jenseits unseres Sonnensystems liegt, ist uns jedoch sehr unklar. Woher kommt er? Als das Sonnensystem noch jung war, bildeten sich die Planeten. Dabei spielten mehrere Mechanismen eine Rolle. Der einfachste, den man verstehen kann, ist der „Kannibalismus“, also eine Frontalkollision zwischen einem kleinen und einem großen Objekt, wobei das größere Objekt das kleinere verschluckt. Der zweite Mechanismus ist der positive Schleuder-Effekt. Im mathematischen Sinne handelt es sich um eine „Begegnung“ (englisch: encounter, entlehnt aus der kinetischen Gastheorie). Das ursprüngliche Sonnensystem war „kollisionsreich“. Diese Kollisionen tendieren dazu, eine Maxwell-Boltzmann-Verteilung der Geschwindigkeiten für alle Populationen zu erzeugen. Es handelt sich um ein „Mehrfach-Populations-System“. Jede Population strebt einem thermodynamischen Gleichgewicht zu. Bei einem Gemisch aus zwei Gasen im thermodynamischen Gleichgewicht (z. B. der Plasma-Plasma, aus dem die Sonne besteht) sind die mittleren kinetischen Energien der verschiedenen Populationen gleich. Diese Energien verhalten sich zueinander wie die Massenverhältnisse. Nehmen wir ein Wasserstoffplasma. Elektronen sind 1850-mal leichter als Wasserstoffkerne. Daher ist die thermische Bewegung der Elektronen um den Faktor √1850 = ca. 43 schneller als die der Wasserstoffionen.

Ein Gemisch aus „schweren“ und „leichten“ Teilchen beschleunigt die leichten Teilchen (die „Wolken aus salzigem Wasserdampf“ oder „verschmutzter Eis“-Klumpen, aus denen sich die Proto-Kometen bilden). Das Sonnensystem hat daher eine Vielzahl kleiner Objekte ausgestoßen. Einige erreichten die Fluchtgeschwindigkeit gegenüber der Sonne und verloren sich im interstellaren Raum. Andere blieben in unserer „großen Vorstadt“. Da diese Begegnungen in beide Richtungen wirken (allerdings im Großen und Ganzen die kleinen Objekte beschleunigen), entsteht ein „negativer Schleuder-Effekt“, der die Maxwell-Boltzmann-Verteilung in Richtung niedriger Geschwindigkeiten „bevölkert“. Zahlreiche kleine Objekte wurden dadurch verlangsamt und fielen beispielsweise auf die Sonne oder auf terrestrische Planeten wie unseren, womöglich als Ozeanmassen.

Tempel 1 ist ein Komet mit einem mittleren Schicksal. Sie hat eine Geschwindigkeit erreicht, die der der Planeten ähnelt. Doch sie hatte auch das Glück, auf einer geneigten Bahn zu landen, was ihre Wahrscheinlichkeit für unerwünschte Begegnungen mit Planeten verringert – denn alle Planeten sind schwerer als sie und würden ihre Bahn unweigerlich verändern. Diese Bahn hat sich tatsächlich seit der Entdeckung des Objekts leicht verändert. Siehe dazu den historischen Verlauf über Google. Warum dehydriert sie weniger als der Komet Halley? Eine gute Frage. Wir wissen sehr wenig über diesen Ausgasungsprozess, genauso wenig wie über die innere Struktur der Kometen.

Tatsächlich dehydriert auch unsere Erde, und dieser Vorgang heißt Vulkanismus. Man weiß, dass er durch die Gezeitenkräfte verstärkt wird (Jupiter wirkt auf Io, den ersten, der seinen Satelliten intensiv „knetet“). Wenn Io so stark auf die Nähe seines Nachbarn reagiert, liegt das daran, dass er sich selbst dreht. Wäre er synchront mit dem großen Planeten, gäbe es keinen so heftigen Vulkanismus. Außerdem ist Io sehr nah an Jupiter.

Vielleicht hängt die Ausgasungsaktivität von Kometen mit ihrer Rotationsperiode um sich selbst zusammen. Ein rotierender Komet ist sensibler gegenüber Gezeitenkräften, die durch die Nähe der Planeten hervorgerufen werden. Tatsächlich beobachtet man, dass Kometen ausgasen, sobald sie innerhalb der Umlaufbahn von Jupiter eintreten. Ist das, weil sie mehr Sonnenstrahlung erhalten? Ja, wenn die Ausgasung lediglich eine Sublimation ihrer Oberfläche ist. Nein, wenn es sich um Eruptionen aus ihrem Inneren handelt. Wenn man die Bilder betrachtet, die Giotto bei der Annäherung an Halley aufnahm, sieht man deutlich, dass es ausgasende Quellen gibt. Es ist daher möglich, dass die Wiederaufnahme der Aktivität eines Kometen, wenn er ins Sonnensystem zurückkehrt, mit einer internen „Knetung“ durch Gezeitenkräfte zusammenhängt, die besonders stark sind, wenn der Komet sich selbst dreht. Haben wir diese Rotationsperioden gemessen?

Aus dieser Sicht wäre Tempel 1 ein relativ inaktives Objekt, weil es sich nur wenig dreht, also wenig empfindlich gegenüber dieser Gezeitenknetung ist, die verschiedene Eruptionen auslöst (vulkanisch bei Io, Ausgasung bei Kometen). Fragen Sie Brahic, was er dazu hält. Die Planetologie ist sein Fachgebiet.

Sie können die Positionen der verschiedenen Objekte nach Belieben verfolgen. Zunächst sehen wir die Kometen Tempel 1 im Anflug, nachdem die Sonde Deep Impact in ihre Umlaufbahn gebracht wurde. Dabei fällt die Kollisionsdatum auf: der 4. Juli. Die Amerikaner mögen es, ihre Raumfahrtleistungen so zu markieren und zu zeigen, wie gut sie die Bahn ihrer Sonden kontrollieren können. Dieses Datum entspricht dem Unabhängigkeitstag ihres Landes, und das ist kein Zufall.

Die sorgfältige Beobachtung der Animation zeigt deutlich, dass Tempel 1 tatsächlich schneller rotiert als die Sonde und diese einholt. Tatsächlich ist es die Kometen, die die Sonde trifft, nicht umgekehrt. Doch das spielt keine Rolle. Im nächsten Bild sind zwei Monate später. Die Kometen bereitet sich darauf vor, die Sonde zu treffen – oder zumindest das Objekt, das sich von ihr lösen wird, um den Aufprall zu ermöglichen.

Hier sehen wir die Kometen, aufgenommen fünf Minuten vor dem Aufprall:

Die Kometen. Aufnahme fünf Minuten vor dem Aufprall.

Die Sonde und der Aufprallkörper

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