Eine schrecklich nette Familie: Stardust, Kometen – und Meteorite

27. Mai 2015 von Andreas Morlok in Allgemein

Und mal wieder Zeit, was über Kometen zu schreiben. Wie schon öfters angemerkt, ist mein Hintergrund eher der eines Meteoritenforschers oder Mineralogens (von einem nicht näher zu benennenden Prof. auch als 'Steineklopfer' tituliert).

Ein Vergleich zwischen Material kometarer oder meteoritischer Herkunft ist wie der Vergleich von Äpfel und Birnen oder besser, Äpfel und Eis am Stil (Magnum wäre ein prima Analog für Kometen, lechz).

Meteorite sind zunächst mal Gestein mit etwas Wasser und Organik. Nicht zuletzt dank der laufenden Rosetta-Mission wissen wir aber nun sicher, dass Kometen zum großen Teil erst mal aus gar Nix bestehen (70-80% Porosität). Und der Rest sind dann vor allem die vergänglichen volatilen Bestandteile Eis, Organik und so. 'Gestein' macht dann nicht mehr ganz so viel aus. Wieso also sind dann auch die 'klassischen' Meteoritenforscher an Kometen interessiert ? Weil halt eben auch die paar Steinbrösel sehr aussagekräftig über die Verwandschaftsbeziehungen im Sonnensystem sind. Und ja, die gibt es auch zwischen Kometen und Meteoriten. Man kann sich seine Verwandten halt nicht  aussuchen.

Dass die Trennlinie zwischen den beiden Arten an extraterrestrischem Material nicht ganz so scharf ist, wie lange gedacht hat sich in jüngerer Zeit schon angedeutet - durch Asteroide, die plötzlich aktiv wurden. Und Asteroide sind schon mal die Mutterkörper der Meteorite, also gab es bereits eine potentielle Verbindung (mehr dazu am Ende des Beitrages).

Es geht hier aber nicht so sehr um Rosetta, der (die?) nach wie vor den Kern von Komet Tschurjumow-Gerassimenko umkreist, fleißig Meßdaten zuhauf produziert und die Kollegen nach wie vor in den Zustand der fortgeschrittenen Verzückung versetzt.

 

Erst mal eine Rückblende:  Es geht um das Unternehmen Stardust. Nein, nicht das, sondern dieses hier. Und Komet 81P/Wild 2. Genau, da war doch mal was. Die älteren unter uns erinnern sich:

Die NASA Stardust Mission 2006 war zum damaligen Zeitpunkt die zweite Sample Return Mission (zusammen mit Genesis 2004) nach einer langen Lücke seit den sowjetischen Luna Sonden in den 70ern.

Um endlich einmal direkt einen Kometen zu beproben, flog Sonde in den Jahren 2000 und 2002 durch den Schweif des Kometen 81P/Wild, und fing winzig kleine Partikel des Kometenschweifs mit Hilfe eines Kollektors auf. Dabei donnerten die winzigen Partikel mit 6.1 Kilometern pro Sekunde in eine Schicht aus Aerogel, einem Material sehr geringer Dichte. Diesen Einschlag überstanden im Wesentlichen nur die mineralischen Bestandteile. Das alleine ist schon ein Grund, dass sich Leute mit eher mineralogischem Hintergrund dafür interessieren.

Der Kollektor kam gerammelt voll mit Kometenstaub zurück, und bohrte sich nicht einmal in den Wüstenboden wie zwei Jahre zuvor die Genesis-Sonde. Ein Kollege bezeichnete den Moment, als er im Reinstraum den Block direkt anschauen durfte als "quasi-Religiös" (er ist aber nach wie vor Atheist).

Der Staubkollektor der NASA Stardust Sonde. Die Kometenpartikel sind in den bläulichen Aerogel-Blöcken eingeschlagen.

Der Staubkollektor der NASA-Stardust Sonde.

Ein großer Teil der Meteoritenforschungs-Community riss sich am Riemen, und beteiligte sich nach der Rückkehr der Probenkapsel in einer großen konzertierten Aktion an der systematischen Analyse der ersten separierten Partikel. Das ist das schöne -  bei allem Konkurrenzkampf um Gelder, Jobs undsoweiter- gibt es immer wieder Beispiel von regelrechtem Idealismus. Ich selber war aus diversen Gründen mal wieder nicht bei der Party dabei (/schnutezieh).

Die Winzigkeit der Kometenpartikel (die meisten kleiner als 1 micron, also ein tausendstel Millimeter) war kein Hindernis für die Untersuchungen. Der Gerätepark, zur Analyse solcher winzigen Partikel ist in der Tat sehr eindrucksvoll. Die Proben wurden und werden mit Elektronen-, Röntgen-, Ionen-, und Laserstrahlen beschossen.

Die ersten Veröffentlichungen in einer Sonderausgabe von Science 2006 hatten deshalb auch beeindruckende Autorenlisten. Diese wurde entgegen normaler Gewohnheit alphabetisch aufgelistet (also nicht bei normalen Veröffentlichungen der fleissigste Autor als erstes etc.) Dummerweise beginnt der Familienname eines der Chefwissenschaftlers mit Z wie Zolensky, weshalb ausnahmsweise die Autorenliste in einem Paper umgedreht wurde.

 

Aber weshalb sind die Meteoritenforscher jetzt an Kometenstaub interessiert ? Natürlich, weil es an sich interessant ist, so etwas abgefahrenes wie Proben von einem Kometen zu untersuchen, die reine Neugierde halt. Aber das alleine wird nicht als Begründung ausreichen, um eine ganze Raummission zu finanzieren.

Die Meteoritenforschung ist sehr an dem ursprünglichem, primitiven Material interessiert, aus dem das Sonnensystem entstand. Es ist logischerweise die Basis, auf der alle weitere Forschung aufbaut. Um die Ergebnisse der Untersuchung von Meteoriten richtig interpretieren zu können, ist es notwendig, den Ausgangszustand zu kennen.

Eine Idee, wie dieses Material aussehen sollte haben wir von Beobachtungen des Interstellaren Mediums (ISM). Das ist der Staub zwischen den Sternen, der wohl dem Staub in den großen Molekülwolken, wo sich junge Sternensysteme bilden, am ähnlichsten ist. Und Infrarotspektren, die uns Auskunft über die Struktur der Bestandteile geben, deuten auf eine überwiegend amorphe, glasartige Struktur des Materials hin (mit nur ein paar Prozent Kristallen).

Hier ein schönes Paper von Ciska Kemper, The absence of crystalline silicates in the diffuse interstellar medium von 2004, aber immer noch gültig. Dankenswertweise auf für lau auf ArXiv (Astrophysiker sind in der Hinsicht den Meteoritenforschern voraus, von letzteren sieht man viel weniger Papers auf ArXiv.) Und natürlich wäre es toll, solch ein Material direkt im Labor zu untersuchen, da kann man schon mehr damit anstellen als in der astronomischen Fernerkundung. Wie zum Beispiel die Analyse der Isotopenverhältnisse, die ebenfalls sehr aussagekräftig sind.

Und Kometen sind da Kandidaten für solches Material, die kosmische Kühlschränke, in denen gleich einer vergessenen Pizza pristines Material die letzten 4.6 Milliarden Jahre überlebt hat. Die Interplanetaren Staubpartikel (IDP), welche zusätzlich durch das Sonnensystem schweben und auch auf unseren Planeten herabrieseln, stammen oft auch von Kometen.

Aber es gibt auch solche mit Asteroidaler Herkunft, wie auch die anderen Konkurrenten für primitives Material, die Chondrite vom Typ 3.0. Die Klassifikation der Meteorite ist nicht ganz intiutiv nachvollziehbar. Genauer ist sie, wie ein ehemaliger französischer Chef sagte 'Une Mess'. Und zwar eine ganz Grande Mess, darüber aber mehr in einem seperaten Artikel. An dieser Stelle ist wichtig, das der Typ 3.0 die mineralogisch ursprünglichsten, primitiven (pristinen!) Meteorite darstellt. Also möglichst seit der Bildung des Mutterkörpers unverändertes Material.

Aber die Chondrite bestehen zu einem grossen Teil aus Bauteilen, die erst im Sonnensystem, In der protoplanetaren Gas- und Staubscheibe entstanden sind, also kein ganz ursprüngliches Material mehr. Das sind die Kalzium-Aluminium-reiche Einschlüsse (CAIs), sowie die namensgebenden Chondren, und auch feinkörniges Material, die Matrix. Alle enthalten selbst in den extrem primitiven Chondriten vom Typ 3 hohe Anteile an kristallinem Material, das wohl in Hochtemperaturprozessen im inneren Sonnensystem enstand, in denen das glasartige Ausgangsmaterial verarbeitet wurde.

Falls also kometares Material vor allem aus glasartigem, amorphem Material besteht, würde das unter anderem darauf hindeuten, dass sich Kometen von der mineralogischen Zusammensetzung her seit der Entstehung des Sonnensystems vor 4.6 Milliarden Jahren nicht sonderlich verändert haben. Sie wären also wirklich kosmische Kühlschränke, in denen der ‘Ur-Stoff’ unseres Sonnensystems überlebt hat.

Und schon die ersten Untersuchungen zeigten Fragmente von Chondren und CAIs im Stardust-Material. Generell ist die Mineralogie des kristallinen Anteils der Kometen meteoritischem Material sehr ähnlich. Das war ein zentrales Ergebnis der Stardust Mission – da Chondren und CAIs wohl im heißen, inneren frühen Sonnensystem gebildet wurden, mussten die Partikel in die kühlen Außenbezirke transportiert (hier ein ArXiv Paper) werden, wo sie dann in den sich bildenden Kometen endeten.

 

Falls noch jemand so lange durchgehalten hat - Was ist jetzt aber der Aufhänger für diesen Beitrag ? Noch immer studieren Forscher die Proben (von denen auch noch mehr als genug im Block sind).

Passend sind kürzlich zwei Paper herausgekommen: Constraints on the formation environment of two chondrule-like igneous particles from comet 81P/Wild 2 von Zack Gansforth von der University of California (Berkeley), natürlich mit einer langen Schleppe an Mit-Autoren, die sich hinter et al. verbergen. Veröffentlicht im Vereinsblatt der Meteoritenforscher, Meteoritics&Planetary Science. Soll nicht abwertend gemeint sein, ist ein seriöses Journal.

Und fast zeitgleich erschien in Geochimica et Cosmochimica Acta Oxygen Isotopic Composition of coarse- and fine-grained material fro Comet 81P/Wild 2 von Ryan C. Ogliore an der Uni Hawaii (samt Mit-Autoren). Nix auf ArXiv, aber hier ein etwas verwandter Tagungs-Abstrakt.

Die Paper bestätigen zumeinen nochmal die älteren Befunde - der Komet enthält in der Tat Fragmente von Chondren, die sich auch unter ähnlichen Bedingungen wie diese gebildet haben.

Aber das wirklich interessante an den Ergebnissen ist hier, dass Partikel des Kometen nicht nur Ähnlichkeit mit Bauteilen der Meteorite aufweisen, sondern das die isotopische Zusammensetzung (vom Sauerstoff) den Bereich der bekannen Meteorite (wie z.B. der kohligen CR Chondrite) abdeckt. Das deutet darauf hin, das der Komet mineralogisch so was wie einen Querschnitt des frühen Sonnensystems darstellt.

Mit anderen Worten, die Grenze zwischen Kometen und meteoritischem Material ist noch etwas schwammiger, unschärfer geworden, zumindest was die mineralogische Zusammensetzung betrifft.

 

Noch ein kleiner Nachschlag. Die chemisch (nicht mineralogisch!) primitivste Meteoritengruppe, die CI-Chondrite wurden auch als potentielle Kometenproben vorgeschlagen. CI1 Chondrite sind effektiv Matschklumpen, sie bestehen vor allem aus Schichtsilikaten ähnlich Tonmineralen. Die größte verfügbare Menge an Material stammt vom CI Chondriten Orgueil. Dieser fiel 1864 über Frankreich (Tagungs-Abstrakt), und gehört zu einem der am besten dokumentierten Fälle dieser Zeit. 150 Jahre später wühlte sich ein französischer Doktorand mit Motivationsüberschuss (nennen wir ihn mal Matthieu) im Rahmen eines kleinen Nebenprojektes zu seiner Dissertation durch die Archive, und wertete die Beobachtungen von damals aus. Es gelang in der Tat, in etwa den Orbit des Orgueil Meteors vor dem Eintritt in die Atmosphäre zu bestimmen: Er war ähnlich dem von kurz-periodischen Kometen (Tagungs-Abstrakt). Die matschige mineralogische Zusammensetzung würde sich allerdings mit den momentanen Daten für Kometen etwas beißen.


7 Kommentare zu “Eine schrecklich nette Familie: Stardust, Kometen – und Meteorite”

  1. Ute Gerhardt Antworten | Permalink

    Ich muss als Laie mal ganz dumm fragen: Wenn man all diese Daten zur Zusammensetzung nun hat, was macht maan dann damit genau? Lassen sich daraus Rückschlüsse auf die Prozesse ziehen, die zur Entstehung dieser Bestandteile geführt haben, in der Frühzeit des Sonnensystems? (Und wenn ja, wie funktioniert das? Könnte man das mal exemplarisch an einem der Mineralien oder an einer Gruppe davon für Dummies wie mich aufdröseln?)

    • Andreas Morlok Antworten | Permalink

      Die Frage fasst die moderne Meteoritenforschung sehr schön zusammen. Der Gedanke bei der Untersuchung (und auch typische Begründung bei Anträgen für Gelder beim DFG) ist gerade eben, dass man aus der Entstehung der Minerale und Bauteile der Meteorite die physikalischen/chemischen Zustände in unserem Sonnensystem herleiten kann. Und das ist dann von Interesse für die Modellierer, die sich mit der Bildung von Sonnensystemen generell befassen. Es gibt heutzutage schon zuhauf Daten von jungen Sonnensystemen gerade in der Phase, in der in unsrigem die Meteorite entstanden, und so kann unser System als 'Modell' herhalten.
      Allerdings gibt es auch Leute, die Messdaten von Meteoriten einfach nur so anhäufen, das ist ein Kritikpunkt den ich öfters von Kollegen aus den terrestrischen Geowissenschaften höre.
      Ein Prima Beispiel sind die Chondren und CAI. Das sind (bis cm-große) Bauteile in den Chondriten, die ganz am Anfang des Sonnensystems, im Protoplanetaren Nebel entstanden. Die CAI zeigen in der Regel die höchsten Alter (4.56 Milliarden Jahre) und gelten deshalb als so etwas wie der Startschuß für das Sonnensystem, die Stunde 0. Wenn man sich die Minerale in diesen
      CAI anschaut, findet man eher obskure Angelegenheiten: Hibonit, Melilit, Korund, Perovskit und ähnliches. Aus Laborexperimenten weiß man, unter welchen Umständen diese Minerale entstehen. Aufgrund der Tatsache, das die CAI fast nur aus solchen Phasen bestehen, kann man dann die Temperatur und Druckverhältnisse zurück rechnen, die für so eine Gruppe an Mineralen notwendig wäre - Temperaturen über knapp 1600° (mindestens) bis über 2000°C, und einem sehr niedrigen Gasdruck. Das sind dann schon mal ein paar Eckdaten, auf denen Modelle des jungen Sonnensystems aufbauen können. Die Chondren sind da etwas komplizierter, und auch bei den CAI ist es ziemlich komplex wenn man noch genauer hinschaut. Das alles ist auch wissenschaftsgeschichtlich interessant, aber dazu irgendwann mal mehr...

      • Ute Gerhardt Antworten | Permalink

        Vielen Dank, das klingt schon mal ziemlich interessant. Ich bin gespannt auf die Einträge hier zu diesem Thema.

        (Das empfohlene Planetologie-Buch kam übrigens am Dienstag an und macht fast den Eindruck, als könnte sogar ich den Inhalt verstehen. ^^)

  2. Martin Holzherr Antworten | Permalink

    Kometen, Meteoriten, Asteroiden gehören also bei allen Unterschieden doch zur gleichen Familie und ihr Material unterscheidet sich deutlich vom interstellaren Staub (?), jedenfalls interstellaren Material, welches vorwiegend amorph/glasartig ist während sich sowohl in Kometen als auch Asteroiden viel kristallines Material befindet, was auf einen gemeinsamen Ursprung hindeutet. Dieser Ursprung ist mit grosser Wahrscheinlichkeit die nahe Umgebung der werdenden Sonne, die protoplanetare Scheibe also und das Material sowohl der Kometen als auch der Asteroiden nahm am Prozess teil, der unsere Sonne und ihre Planeten entstehen liess.
    Eine schrecklich nettte Familie mit gemeinsamen genetischen Ursprüngen (keine reine Patchworkfamilie) also, mit der es Kometen- Asteroiden und Meteoritenforscher zu tun haben.

    • Andreas Morlok Antworten | Permalink

      Das Ausgangsmaterial ist in der Tat dasselbe - nur dass sich die Wege in der protoplanetaren Scheibe eine zeitlang getrennt haben. Wobei die Kometen wohl dennoch überwiegend (?) aus Urmaterial bestehen, nur halt gemixt mit verarbeitetem Material aus dem inneren Sonnensystem.

      • Martin Holzherr Antworten | Permalink

        Danke für die Stellungnahme. Ich habe den Eindruck sie haben sich im obigen Artikel bewusst zurückgehalten bei einer Aussage den Materialmix von Kometen betreffend. Wahrscheinlich weil das Mischverhältnis Urmaterial/protoplanetares Material bei Kometen noch eine offene Frage ist und es möglicherweise zwei Klassen von Kometen gibt: solche, die vorwiegend aus Urmaterial bestehen und solche mit einer starken Einmischung von Material aus dem inneren Sonnensystem.

        • Andreas Morlok Antworten | Permalink

          Soweit ich das beurteilen kann, gibt es für Kometen zur Zeit keine wirklich belastbaren Zahlen, was die genauen Mischungsverhältnisse betrifft. Aber da ist dank Rosetta wohl einiges zu erwarten. Das mit den verschiedene Kometentypen ist ein wichtiger Punkt, der wohl mit nur zwei genauer untersuchten Kometen schwer zu klären ist.

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