„Unverändert seit der Frühzeit des Sonnensystems“

Die Rosettamission neigt sich dem Ende entgegen. Am 30. September 2016 soll die Raumsonde Rosetta kontrolliert auf den Kometen Tschurjumow-Gerassimenko, den sie zwei Jahre lang begleitet hat, stürzen und dabei ein letztes Mal Daten zur Erde schicken. Doch schon jetzt gewinnen Wissenschaftler mithilfe von Rosetta Einblicke in die Frühzeit unseres Sonnensystems: Mithilfe eines Rasterkraftmikroskops an Bord der Sonde gelang es ihnen erstmals, Kometenstaub weitgehend unbeschädigt und vor Ort zu untersuchen und so mehr über seine Struktur und seinen Aufbau zu erfahren. Darüber berichten die Forscher im Fachmagazin „Nature“. Welt der Physik sprach mit dem beteiligten Forscher Roland Schmied vom Institut für Weltraumforschung in Graz.

Welt der Physik: Wo genau kommen denn die Staubkörnchen her, die die Raumsonde Rosetta untersucht hat?

Roland Schmied: Rosetta ist bereits seit zwei Jahren unterwegs und umkreist den Kometen Tschurjumow-Gerassimenko, von dem sich Teilchen lösen. Genau diese Teilchen fangen wir auf und untersuchen sie mit einem Rasterkraftmikroskop, woraus wir auf ihre Struktur und ihren Aufbau schließen können. Am Anfang der Mission, von September bis November 2014, haben wir recht wenige Teilchen auffangen können. Aber inzwischen haben wir einige Hundert Teilchen gefunden, von denen wir jetzt fünf Staubkörnchen genauer analysiert haben.

Ein Portraitfoto von Roland Schmied vom Grazer Institut für Weltraumforschung
Roland Schmied vom Institut für Weltraumforschung in Graz

Warum lösen sich die Teilchen vom Kometen?

Das ist im Moment noch eine offene Frage und die zu beantworten ist eines der Ziele der Rosettamission – und zwar unter anderem mithilfe von Kameras, welche die Veränderungen auf der Kometenoberfläche über mehr als zwei Jahre beobachten konnten, oder anderen Instrumenten, welche unter anderem auch die chemische Zusammensetzung untersuchen können.

Wie genau fängt Rosetta so ein Staubkörnchen auf?

Dafür benutzen wir das Gerät MIDAS an Bord von Rosetta. Wir haben im Prinzip einen geöffneten Trichter mit einem Shutter, den wir öffnen und schließen können, um sozusagen die Belichtung zu planen – also wann wir Staubkörnchen auffangen. Hinter dem Trichter ist ein Rad mit 64 Facetten montiert, auf denen die Staubpartikel auftreffen und haften bleiben. Wenn diese Partikel eingefangen sind, können wir das Rad weiterdrehen und die Partikel gelangen dann zum Mikroskop. MIDAS ist im Grunde genommen ein Rasterkraftmikroskop, das die Oberfläche der Staubkörnchen erfassen und dabei eine Auflösung im Bereich von milliardstel Meter erreichen kann.

Was macht diese Methode zu etwas Besonderem im Vergleich zu bisherigen Untersuchungen von Staubkörnern?

Bei bisherigen Untersuchungen hat man sogenannte interplanetarische Staubpartikel in der Erdatmosphäre eingefangen. Einerseits sind diese Partikel erst einmal den Einflüssen der Erdatmosphäre ausgesetzt und andererseits können sie beim Einfangen selbst verändert werden. Aber der viel größere Nachteil ist: Man kennt ihren Ursprung nicht, man weiß nicht, wo sie herkommen. Man kann sie zwar chemisch untersuchen und Rückschlüsse auf ihre Herkunft ziehen, aber man kann sich nie ganz sicher sein. Andererseits hat die Stardust-Mission Staub eines Kometen in unserem Sonnensystem gesammelt und zurück zur Erde geschickt. Allerdings war die Raumsonde mit über sechs Kilometer pro Sekunde so schnell, dass der Staub auch da beim Auffangen verändert werden konnte. Das haben wir in diesem Fall nicht. Unsere Partikel sind nur wenige Zentimeter bis Meter pro Sekunde schnell und wir wissen genau, wo sie herkommen.

Der Komet Tschurjumow-Gerassimenko wurde von der Raumsonde Rosetta fotografiert. Die Abbildung zeigt ein schwarzweiß Bild.
Der Komet Tschurjumow-Gerassimenko

Wie sieht denn so ein Staubkörnchen aus?

Bei den fünf Teilchen, die wir jetzt erstmals vorgestellt haben, haben wir sehr offene, poröse Strukturen gefunden – es gibt also sehr viele Freiräume innerhalb der Teilchen. Andererseits sind die Staubkörnchen selbst aus kleineren Strukturen aufgebaut, das haben uns hoch aufgelöste Scans gezeigt. Und da haben wir bislang Strukturen bis hinunter zu Größenordnungen von 120 bis 130 Nanometern gefunden, wobei ein Nanometer einem milliardstel Meter entspricht. Mit diesen Größenordnungen von Nanometer bis Mikrometer, also millionstel Meter, können wir sagen, dass diese Staubkörnchen hierarchisch aufgebaut sind. Kleinere Teilchen bilden zusammen also immer größere Strukturen.

Warum können uns solche Staubkörnchen etwas über die Frühzeit unseres Sonnensystems verraten?

Wir denken, dass das Material, aus dem Kometen bestehen, sich seit der Entstehung des Sonnensystems vor Jahrmilliarden recht wenig verändert hat. Bei Planeten hingegen hat man beispielsweise atmosphärische Einflüsse, die das Material verändern. Solche Störfaktoren fallen bei einem Kometen wie Tschurjumow-Gerassimenko weg und dadurch kann man im Prinzip in der Zeit zurückgehen und sehen, wie das Sonnensystem damals beschaffen war.

Ist auch die Erde aus genau solchen Teilchen entstanden?

Im Endeffekt entsteht ein Sonnensystem aus einer Molekülwolke. Und dort wachsen die kleinsten Partikel zu größeren Teilchen und aus diesen entstehen letzten Endes die Planeten, auch die Erde.

Was sind denn die nächsten Schritte in Ihrer Forschung?

Die große Frage, die bleibt, ist: Was ist wirklich die kleinste Struktur, aus denen diese Teilchen aufgebaut sind? Im Moment haben wir eben diese 120 bis 130 Nanometer großen Partikel gefunden. Wir wollen als nächstes versuchen, die kleinsten Strukturen auszumachen, die wir noch mit dem Mikroskop räumlich auflösen können. Das wollen wir noch um ein bis zwei Größenordnungen verbessern. Vielleicht finden wir dann wirklich die kleinsten Partikel, aus denen diese Staubteilchen aufgebaut sind. Und das wäre schon eine extrem spannende Sache: herauszufinden, wie diese kleinsten Einheiten ausschauen. Das ist für theoretische Modelle extrem wichtig, weil wir auch einfach wissen möchten, wie die Umweltbedingungen zu den Urzeiten des Sonnensystems waren.