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Rosetta-Mission: Kometenstaub unter der Lupe

Eine Aufnahme des Kometen Tschuri vom 17. Jänner 2016. Seine Staubpartikel werden wertvolle Informationen über unser Sonnensystem liefern. Quelle: ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

Die Rosetta-Mission der European Space Agency (ESA) zum Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko („Tschuri“) wirbelte viel Staub auf. Im übertragenen wie im wörtlichen Sinn. Mit Letzterem befasst sich nun ein Projekt des Wissenschaftsfonds FWF. In diesem werden Daten über die Eigenschaften des auf der Mission gesammelten Kometenstaubs ausgewertet. Projektleiter ist der Brite Mark Bentley, der eines der Instrumente an Bord von Rosetta steuert, und erste Ergebnisse soeben in der Fachzeitschrift „Nature“ publizieren konnte.

Wissenschaftliche Goldgrube

MIDAS, das Micro-Imaging Dust Analysis System, ist ein spezielles Mikroskop, das an Bord des Rosetta-Orbiters Staub aus der Umgebung des Kometen auffängt und analysiert. Die Analyse des Kometenstaubs wird sich als wissenschaftliche Goldgrube entpuppen, ist Mark Bentley überzeugt: „Kometen zählen zu den ursprünglichsten Körpern unseres Sonnensystems. Fast unverändert haben sie die Milliarden Jahre dauernde Entwicklung überstanden und ihre Bestandteile können Auskunft über die Entstehungszeit von Sonne und Planeten geben.“ Und genau das wird mit den von MIDAS gesammelten Daten erforscht.

Spitzen-Leistung

Bei MIDAS handelt es sich um ein speziell angefertigtes Rasterkraftmikroskop, das eine Analyse von Staubpartikeln mit einer Auflösung von wenigen Nanometern erlaubt. Um diese hohe Auflösung zu erreichen, tastet die Spitze einer extrem feinen Nadel die Oberfläche eines Objekts ab und die Ablenkung der Nadel durch die Oberflächenstruktur wird gemessen. Zu der Messmethode ergänzt Mark Bentley: „MIDAS erlaubt es uns sogar dreidimensionale Bilder von Körnern des Kometenstaubs zu erstellen. Das ist für unser Projekt von entscheidender Bedeutung.“

Facettenreicher Staub

"Gebirgsformationen" auf mikroskopischen Partikeln von Kometenstaub werden dank Analysen im Rahmen eines FWF-Projekts genauestens vermessen.
„Gebirgsformationen“ auf mikroskopischen Partikeln von Kometenstaub werden genauestens vermessen. Quelle: ESA/Rosetta/IWF for the MIDAS team IWF/ESA/LATMOS/Universiteit Leiden/Universität Wien

Die Ziele der Arbeit von Bentley sind dabei facettenreich. So wird er die Form und Größe von verschiedenen Kometenstaubteilchen bestimmen, Oberflächenstrukturen analysieren und die Untereinheiten, aus denen die Partikel bestehen, identifizieren. Wie der Weltraumforscher im Gespräch mit scilog erläutert, wird er durch Nutzung eines zusätzlichen Betriebsmodus von MIDAS das Spektrum seiner Untersuchungen dann sogar noch erweitern können. „Wir können MIDAS auch nutzen, um Magnetismus zu messen. Damit wird magnetisches Material im Kometenstaub erkennbar und so werden wir viel über etwaige magnetische Felder im frühen Sonnensystem herausfinden.“

3-D-Animation

Slow Science

Die Rosetta-Mission liefert für die Untersuchungen von Bentley einen ganz entscheidenden Vorteil: Relativ zum Kometen bewegt sich die Sonde geradezu im Schritttempo. Das bedeutet, dass der Staub sanft und ohne Schädigung gesammelt werden kann. „Frühere Missionen sind mit sehr hoher Geschwindigkeit an verschiedenen Kometen vorbeigeflogen. Dieses hohe Tempo führte dazu, dass Partikel beim Einsammeln Schaden nahmen und nicht mehr ursprünglich waren. Bei Rosetta ist das nicht so“, erklärt Bentley. Gesammelt wird der Staub dabei aus dem „Kometenschweif“, dem Staub-Gas-Gemisch, das den Kometen umgibt. Die schonende Sammelmethode in Kombination mit der sehr hohen Auflösung von MIDAS erlaubt auch Untersuchungen über die Größenverteilung von Staubpartikeln im Schweif, zu Mechanismen der natürlichen Fragmentierungen und über die zeitliche sowie saisonale Veränderung von Staubpartikeln.

Spezialvollmacht

Dank des bereits seit einiger Zeit laufenden „Paartanzes“ von 67P und der Rosetta-Sonde konnte bereits ausreichend Staub für qualitativ wie quantitativ aussagekräftige Analysen gesammelt werden. MIDAS entlockte diesem dann auch schon zahlreiche Daten, auf die Mark Bentley jetzt zugreifen kann. Doch der Forscher hat noch ein weiteres wissenschaftliches Ass in seinem Ärmel: Da er für die Steuerung von MIDAS verantwortlich ist, hat er nicht nur direkten Zugriff auf die neuesten Daten aus dem All, sondern kann gezielt Messungen der Staubteilchen veranlassen, die seine wissenschaftlichen Analysen voranbringen. Eine Möglichkeit, die dieses FWF-Projekt und seinen Beitrag zum Verständnis unseres Sonnensystems ganz besonders hervorhebt.


Zur Person

Mark S. Bentley forscht am Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Graz. Die Analyse von Kometen und anderen kleinen Himmelskörpern stellen einen wichtigen Teil seiner bisherigen Laufbahn in der akademischen und industriellen Forschung dar, in der er sich auch mit Weltraumwetter befasst. Seit dem Jahr 2013 ist er Principal Investigator von MIDAS an Bord des Orbiters der ESA-Mission Rosetta.


Publikationen

Aggregate dust particles at comet 67P/Churyumov–Gerasimenko: Bentley M. S., Schmied, R., Mannel T., Torkar, K., Jeszenszky, H., Romstedt, J., Levasseur-Regourd, A.-C., Weber, I., Jessberger, E. K., Ehrenfreund, P., Koeberl C., and Havnes O.. Nature 537, 73–75 (01 September 2016). doi:10.1038/nature19091
MIDAS: Lessons learned from the first spaceborne atomic force microscope: Bentley M. S., Arends H., Butler B., Gavira j., Jeszenszky H., Mannel T., Romstedt J., Schmied R., Torkar K.. Acta Astronautica 125, 11-25 (August – September 2016)
Physical properties of dust particles in cometary comae: from clues to evidence with the Rosetta mission: Levasseur-Regourd, A.-C.; Rotundi, A.; Bentley, M. S.; and 8 coauthors, European Planetary Science Congress 2015, held 27 September – 2 October, 2015 in Nantes, France, http://meetingorganizer.copernicus.org/EPSC2015/EPSC2015-932.pdf
The Micro Imaging and Dust Analysis System – New Possibilities for Space Sciences: Schmied, R.; Torkar, K..; Jeszenszky, H.; and 3 coauthors, European Planetary Science Congress 2015, held 27 September – 2 October, 2015 in Nantes, France, http://meetingorganizer.copernicus.org/EPSC2015/EPSC2015-865.pdf
The nature of (sub-)micrometre cometary dust particles detected with MIDAS: Mannel, T.; Bentley, M. S.; Torkar, K.; and 3 coauthors, European Planetary Science Congress 2015, held 27 September – 2 October, 2015 in Nantes, France, http://meetingorganizer.copernicus.org/EPSC2015/EPSC2015-863.pdf
Cometary dust at the nanometre scale – the MIDAS view after perihelion: Bentley, M. S.; Torkar, K.; Jeszenszky, H.; and 3 coauthors, European Planetary Science Congress 2015, held 27 September – 2 October, 2015 in Nantes, France, http://meetingorganizer.copernicus.org/EPSC2015/EPSC2015-441.pdf
Cometary dust at the smallest scale – latest results of the MIDAS Atomic Force Microscope onboard Rosetta: Bentley, Mark; Torkar, Klaus; Jeszenszky, Harald; and 3 coauthors, EGU General Assembly 2015, held 12-17 April, 2015 in Vienna, Austria. id.12477. http://meetingorganizer.copernicus.org/EPSC2015/EPSC2015-441.pdf

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