Wie Kometen entstehen

Zu verstehen, wie und wann Objekte wie der Komet 67P/Tschurjumow-Gerassimenko entstanden sind, ist zentral. Nur so kann man anhand von ihnen die Entstehung und frühe Entwicklung unseres Sonnensystems nachvollziehen.

Nun ist eine neue Untersuchung, die sich mit genau dieser Frage beschäftigt, in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics erschienen. Diese wurde von Björn Davidsson vom Jet Propulsion Laboratory am California Institute of Technology in Pasadena (USA) geleitet.

Sollten Kometen primordial sein, also aus der Frühzeit unseres Sonnensystems stammen, könnten sie Aufschluss darüber geben, wie der Sonnennebel, aus dem die Sonne, die Planeten und andere kleinere Himmelskörper vor 4,6 Milliarden Jahren entstanden sind, aufgebaut war sowie über die Prozesse, die unser Planetensystem in seine heutige Form gebracht haben.

Eine alternative Hypothese besagt, dass Kometen jüngere Fragmente sind, die aus Zusammenstößen älterer „Vorgänger“-Körper hervorgingen, etwa aus den eisigen transneptunischen Objekten (TNO). Sollte das stimmen, könnten Kometen Aufschluss über das Innenleben dieser größeren Objekte geben sowie über die Kollisionen, die sie zersprengt haben, und die Art und Weise, wie sich neue Körper aus den Resten älterer bilden.

„Ganz gleich, welche der Annahmen sich als richtig herausstellen wird: Kometen sind Zeugen wichtiger Ereignisse in der Entwicklung des Sonnensystems. Um herauszufinden, welches Szenario wahrscheinlicher ist, haben wir detaillierte Messungen mit der Raumsonde Rosetta durchgeführt und auch schon andere Kometen beobachtet“, sagt Matt Taylor, Rosetta-Projektwissenschaftler bei der ESA.

Während ihres zweijährigen Aufenthalts am Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko hat die Sonde Rosetta eine genaue Analyse des Himmelsobjekts geliefert: Er hat eine niedrige Dichte, ist sehr porös und weist zahlreiche unterschiedliche Schichten auf. Seine ungewöhnliche Form lässt darauf schließen, dass sich an den zwei dickeren Enden zunächst verschiedene Stoffe angesammelt haben, bevor sich diese beiden Enden miteinander vereinigt haben.

Das Innere des Kometenkerns weist eine ungewöhnlich hohe Porosität auf, was darauf hinweist, dass ein solches Wachstum nicht durch eine gewaltsame Kollision stattgefunden haben kann – denn diese hätte das fragile Material zusammengepresst und so verdichtet. Strukturen und andere Eigenschaften, die Rosettas Kameras in verschiedenen Größenskalen aufgezeichnet haben, liefern weitere Informationen darüber, wie dieses Wachstum stattdessen geschehen sein kann.

Ältere Analysen haben gezeigt, dass die beiden Kometenteile ursprünglich voneinander getrennte Objekte waren. Die Kollision, die die Teile zusammengebracht hat, muss bei niedriger Geschwindigkeit stattgefunden haben, sonst wären sie beide zerstört worden. Die Teile verfügen über ähnliche Schichten, was uns sagt, dass sie vergleichbare Entwicklungsgeschichten aufweisen. Außerdem hat das den Wissenschaftlern gezeigt, dass die Überlebenswahrscheinlichkeit im Hinblick auf katastrophale Zusammenstöße über einen langen Zeitraum sehr hoch gewesen sein muss.

Verschmelzungsvorgänge können auch in kleineren Maßstäben stattgefunden haben. So konnten beispielsweise in der Bastet-Region auf dem kleineren Kometenteil drei kugelförmige „Kappen“ identifiziert werden. Vermutungen zufolge sind sie Überreste kleinerer Kometen, die bis heute erhalten geblieben sind.

In noch kleineren, nämlich in Metermaßstäben, wurden die sogenannten „Gänsehaut“- und „Klumpen“-Strukturen entdeckt. Diese rauen Oberflächen befinden sich in zahlreichen Gruben und Felswänden an verschiedenen Orten auf dem Kometen.

Diese Morphologie könnte zwar allein durch Rissbildungen entstanden sein, allerdings gehen die Experten eher davon aus, dass sie eine den Kometenbestandteilen intrinsische „Klumpigkeit“ repräsentiert. Genauer gesagt könnte diese Gänsehaut-Struktur die typische Größe der kleinsten Kometen darstellen, die sich angehäuft und schließlich zu dem Kometen, wie er heute ist, zusammengeschlossen haben. Und nun sind diese kleinen Kometen dank der durch das Sonnenlicht ausgelösten Erosion wieder sichtbar.

Der Theorie zufolge hängt die Geschwindigkeit, mit der kleinere Kometen kollidieren und miteinander verschmelzen, von der Größe der Objekte ab. Die Geschwindigkeit ist am höchsten, wenn die Kometen einige Meter groß sind. Deswegen geht man auch davon aus, dass metergroße Strukturen die kompaktesten und widerstandsfähigsten sind. Dabei ist besonders interessant, dass das Kometenmaterial gerade in dieser Größenklasse sehr klumpig erscheint.

Spektralanalysen der Zusammensetzung des Kometen geben weitere Hinweise in diese Richtung, denn sie zeigen, dass die Oberfläche überhaupt nicht oder nur wenig von flüssigem Wasser verändert wurde. Auswertungen der aus sublimierenden Eisschichten, die tiefer unter der Oberfläche liegen ausgestoßenen Gase haben dokumentiert, dass der Komet reich an flüchtigen organischen Verbindungen ist, etwa an Kohlenmonoxid, Sauerstoff, Stickstoff und Argon.

Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass Kometen in äußerst kalten Umgebungen entstanden sind und die meiste Zeit ihrer Existenz über keinen wesentlichen thermischen Prozessen ausgesetzt waren. Stattdessen haben sie sich eher langsam über einen erheblichen Zeitraum hinweg gebildet – nur so können die niedrigen Temperaturen, das Fortbestehen bestimmter Eisarten sowie Speicherung flüchtiger organischer Verbindungen erklärt werden.

„Während größere TNO in den äußeren Bereichen des Sonnensystems offenbar von kurzlebigen radioaktiven Substanzen erhitzt wurden, zeigen Kometen keine ähnlichen Anzeichen für solche thermischen Prozesse. Dieses Paradox mussten wir durch eine detaillierte Betrachtung der zeitlichen Entwicklung unseres derzeitigen Modells des Sonnensystems klären und neue Überlegungen mit einbeziehen“, sagt Davidsson.

Davidsson und seine Kollegen haben nun einen Ansatz vorgeschlagen, nach dem sich die größeren Objekte der TNO-Gruppe zügig während der ersten Million Jahre des Sonnennebels gebildet haben, unterstützt von turbulenten Gasströmen, die sie rasch wachsen ließen – auf Größen von bis zu 400 Kilometern.

„Kometen sind die Fundgruben des Sonnensystems“

Nach den ersten 3 Millionen Jahren der Geschichte des Sonnensystems war Gas aus dem Sonnennebel verschwunden und solide Materialien die einzig verbleibenden. In den darauffolgenden etwa 400 Millionen Jahren haben die schon großen TNO langsam weiteres Material angezogen und sich verdichtet, sodass sie aus mehreren Lagen bestanden. Während dieses Prozesses schmolzen zum Beispiel ihre Eisvorkommen und froren wieder ein. Einige TNO wurden sogar so groß wie die Planeten Pluto oder der Neptunmond Triton.

Kometen haben sich allerdings anders entwickelt. Nach der ersten, extrem schnellen Wachstumsphase der TNO kamen übriggebliebene Bröckchen und Geröll aus eisigem Material in den kalten, äußeren Bereichen des Sonnennebels mit langsamen Geschwindigkeiten zusammen und formten - bis die Gase aus dem Sonnennebel verschwunden waren - Kometen mit Größen von ungefähr 5 Kilometern. Da die Objekte mit niedriger Geschwindigkeit aufeinandertrafen, hatten die zusammengesetzten Objekte fragile Kerne, die sich durch hohe Porosität und niedrige Dichten auszeichnen.

Dieses langsame Wachstum hat es aber auch möglich gemacht, dass in den Kometen einige der ältesten, flüchtigen Materialen aus dem Sonnennebel konserviert wurden, da diese die aus radioaktivem Zerfall produzierte Energie in den Kometen freisetzten, ohne zu sehr zu erhitzen.

Die größeren TNO haben aber auch noch eine andere Rolle für die Entwicklung von Kometen gespielt. Sie wirbelten die Umlaufbahnen der Kometen geradezu durcheinander, sodass diese in den folgenden 25 Millionen Jahren noch zusätzliches Material anhäuften, und zwar auch mit etwas größeren Geschwindigkeiten. So wurden die äußeren Schichten der Kometen gebildet. Das Verwirbeln ermöglichte es außerdem Objekten mit einer Größe von einigen Kilometern, sanft aufeinanderzustoßen, was dann zu solchen wie bereits bei einigen Kometen beobachteten doppelendigen Formen führte.

„Kometen weisen nicht die Charakteristika auf, die man für aufeinandergestoßene Gesteinshaufen, so wie sie aus dem Zusammenstößen größerer Objekte wie TNO entstehen, erwarten würde. Wir glauben stattdessen, dass sie langsam im Schatten der TNO gewachsen sind. So konnten sie in ihren Hauptbestandteilen unbeschadet 4,6 Milliarden Jahre lang überleben“, schlussfolgert Davidsson.

„Unser neues Modell zeigt, was wir aus Rosettas detaillierten Kometenbeobachtungen ableiten. Dabei handelt es sich um Interpretationen, die auch schon von Ergebnissen früherer Kometen-Vorbeiflugmissionen angedeutet worden sind.“

„Kometen sind die Fundgruben des Sonnensystems“, fügt Taylor hinzu.

„Sie geben uns unvergleichliche Einblicke in die Prozesse, die auf der ‚Planetenbaustelle’ in diesen frühen Zeiten wichtig waren und darin, wie diese Prozesse mit der heute sichtbaren Architektur des Sonnensystems zusammenhängen.“

Hinweise für Redakteure
„The primordial nucleus of Comet 67P/Churyumov–Gerasimenko,“ von B. Davidsson et al. ist in Astronomy & Astrophysics erschienen.