Eisige Überraschungen auf Rosettas Komet

Die Kohlendioxid-Eisschicht war etwa so groß wie ein Fußballfeld. Die beiden Wasser-Eisflächen bedeckten jeweils eine Fläche mit den Maßen eines olympischen Schwimmbeckens und waren damit wesentlich größer als alle bisher auf dem Kometen entdeckten Vorkommen von Wasser-Eis.

Alle drei Eisschichten wurden in derselben Region der südlichen Hemisphäre des Kometen gefunden.

Durch die Kombination der komplexen Form des Kometen 67P/Churyumov–Gerasimenko, seiner langen Sonnenumlaufbahn und die Neigung seiner Drehachse sind die Jahreszeiten auf seinen beiden Hemisphäre ungleichmäßig verteilt.

Als Rosetta im August 2014 dort ankam, durchlief die nördliche Hemisphäre noch ihren fünfeinhalbjährigen Sommer, während in der südlichen Hemisphäre Winter und tiefe Dunkelheit herrschten.

Kurz nach der nächsten Sonnenannäherung des Kometen, im August 2015, wechselten die Jahreszeiten jedoch und die südliche Kometenhälfte erlebte einen kurzen, aber intensiven Sommer. Die Region wurde mit Sonnenlicht geflutet.

Im ersten Halbjahr 2015 beobachtete Rosetta, als der Komet nach und nach immer aktiver wurde, Wasserdampf und weitere Gase, die aus dem Kern austraten, die Staubhülle weg bliesen und einige der tiefgefrorenen Geheimnisse des Kometen preisgaben.

Besonders hervorzuheben sind hierbei zwei Ereignisse Ende März 2015: Rosettas VIRTIS-Instrument, ein bildgebendes Spektrometer für den sichtbaren und Infrarotbereich, entdeckte in der Anhur-Region, auf der südlichen Kometenhälfte, eine sehr große Fläche aus Kohlendioxid-Eis.

Damit wurde überhaupt zum ersten Mal Kohlendioxid-Eis auf einem Kometen nachgewiesen, obwohl es im Sonnensystem durchaus verbreitet ist (beispielsweise in den Polkappen des Mars).

“Wir wissen, dass Kometen Kohlendioxid enthalten können. Nach Wasser ist es einer der am häufigsten vorkommenden Bestandteile in Kometenatmosphären. Aber es ist äußerst schwierig, es in fester Form auf der Oberfläche zu finden”, erklärt der Studienleiter Gianrico Filacchione vom italienischen INAF-IAPS, Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali.

Auf einem Kometen gefriert Kohlendioxid bei einer Temperatur von –193 ºC. Das liegt weit unter dem Gefrierpunkt von Wasser. Oberhalb dieser Temperatur geht es sofort vom festen in den gasförmigen Zustand über. Auf diese Weise kann es in Form von Eis auf der Oberfläche nicht nachgewiesen werden.

Im Gegensatz hierzu wurde Wasser-Eis bereits auf zahlreichen Kometen entdeckt, und Rosetta ermittelte zahlreiche kleiner Vorkommen in mehreren Regionen.

“Wir hofften, Spuren von Kohlendioxid-Eis zu finden und haben bereits eine ganze Weile danach gesucht. Aber es war eine ziemliche Überraschung, als wir es dann schließlich in dieser eindeutigen Form vorfanden”, ergänzt Gianrico.

Die Fläche bestand zu einem geringen Prozentsatz aus Kohlendioxid-Eis in Verbindung mit einem dunkleren Gemisch aus Staub und organischer Materie. Sie konnte an zwei aufeinander folgenden Tagen im März beobachtet werden. Das war ein guter Fang, denn als das Team drei Wochen danach nochmals nach der Fläche suchte, war sie verschwunden.

Die Wissenschaftler nahmen an, dass sich die komplette Eisfläche als Gas verflüchtigt hatte. Unter dieser Annahme berechneten sie, dass die 80 x 60 m messende Fläche etwa 57 kg Kohlendioxid enthalten haben musste, was einer 9 cm dicken Schicht entspräche. Dieses Vorkommen an der Oberfläche ist ein eher seltener Einzelfall. Der Löwenanteil von Kohlendioxid-Eis ist in den tieferen Schichten des Kometenkerns eingeschlossen.

Gianrico und seine Mitarbeiter glauben, dass die Eisfläche einige Jahre alt war und aus der Zeit stammte, in der der Komet sich noch in der Kälte des äußeren Sonnensystems befand und auf der Südhälfte des Kometen noch tiefer Winter herrschte. Zu dieser Zeit drang weiterhin Kohlendioxid-Gas aus dem Kometenkern nach außen und kondensierte auf der Oberfläche. Dort blieb es im gefrorenen Zustand liegen und verdampfte erst, als die Temperatur im April 2015 wieder anstieg.

Dies zeigt, dass auf dem Kometen ein Jahreszeitenzyklus beim Kohlendioxid-Eis herrscht, der über die sechseinhalb Jahre dauernde Sonnenumrundung des Kometen andauert. Ganz anders dazu verhält sich der tägliche Wasser-Eis-Zyklus, der kurz nach Rosettas Ankunft beim Kometen ebenfalls mit dem VIRTIS-Instrument entdeckt wurde.

Interessanterweise wurden mit Rosettas OSIRIS-Kamera kurz nach dem Verschwinden der Kohlendioxid-Eisschicht zwei ungewöhnlich große Wasser-Eisflächen im selben Bereich entdeckt – zwischen den südlichen Regionen Anhur und Bes.

“Wir hatten bereits metergroße Fleckchen offen liegenden Eises in verschiedenen Regionen des Kometen entdeckt. Aber was wir hier vorfanden, war viel größer. Jede Fläche umfasste etwa 30 x 40 Meter, und sie waren etwa 10 Tage lang zu beobachten, bevor sie vollständig verschwunden waren”, erzählt die Chefwissenschaftlerin der Studie zur Untersuchung der jahres- und tageszeitabhängigen Farbveränderungen auf dem Kometen, Sonia Fornasier, vom LESIA–Observatoire de Paris und der Université Paris Diderot, Frankreich.

Diese stark eishaltigen Bereiche erscheinen als helle Zonen auf der Kometenoberfläche. Sie reflektieren das Licht und es erscheint im Vergleich zur eher rötlichen Umgebung blau. Wissenschaftler haben mit Gemischen aus Staub und Wasser versucht nachzuweisen, dass das reflektierte Licht bei steigender Eiskonzentration stufenweise blauer wird, bis schließlich ein Punkt erreicht wird, an dem die Farben im Licht in gleichen Beträgen reflektiert werden.

Die beiden neu entdeckten Flächen enthielten 20–30% Wasser-Eis, gemischt mit dunklerem Material und bildeten eine solide Schicht mit einer Dicke von bis zu 30 cm. Dank VIRTIS konnte etwa einen Monat zuvor festgestellt werden, dass eine der beiden Schichten direkt unter der Kohlendioxid-Eisschicht lag.

“Alles in allem haben wir herausgefunden, dass die gesamte Kometenoberfläche eine blauere Färbung aufwies, als der Komet sich der Sonne näherte und durch die intensive Aktivität große Mengen von Staub von der Oberfläche aufgewirbelt und somit die stark eishaltigen unteren Schichten freigelegt wurden”, erläutert Sonia Fornasier.

Als der Komet sich wieder von der Sonne entfernte, konnten die Wissenschaftler beobachten, dass die Färbung des Kometen sich wieder zum Roten hin veränderte.

Sie konnten auch lokal begrenzte Farbveränderungen entdecken, die auf einen tageszeitabhängigen Zyklus des Wasser-Eises hinwiesen. Das Wasser verdampfte schnell, wenn die Eisflächen der Sonne zugewandt waren. Wenn die Temperatur nach Sonnenuntergang dann absank, kondensierte es erneut zu Frost und Eis, um dann am darauf folgenden Tag erneut zu verdampfen.

Die Verteilung von Wasser-Eis unter der staubigen Kometenoberfläche scheint ausgedehnt, jedoch ungleichmäßig zu sein. Aufgrund der Kometenaktivität tauchen kleine Fleckchen Eis auf und verschwinden dann wieder.

Gelegentlich werden größere Eisflächen sichtbar, die auf eine vorherige Annäherung des Kometen an die Sonne zurückgehen.

“Diese beiden Studien zum Eis auf dem Kometen decken neue Details über die Zusammensetzung und die Entstehungsgeschichte des Kometenkerns auf”, meint Matt Taylor, Rosetta-Projektwissenschaftler der ESA.

“Der Teil der Mission, der sich mit dem Flug beschäftigte, ist nun vorüber. Aber die Auswertung der enormen Datenmengen, die von Rosetta gesammelt wurden, geht weiter.”

Hinweise für Redakteure

“Seasonal exposure of carbon dioxide ice on the nucleus of comet 67P/Churyumov–Gerasimenko” von G. Filacchione et al und “Rosetta’s comet 67P/Churyumov–Gerasimenko sheds its dusty mantle to reveal its icy nature” von S. Fornasier et al, in der Zeitschrift Science erschienen.