DAWN: Erste Ergebnisse vom Asteroiden Vesta

Die Raumsonde DAWN, welche sich seit dem 16. Juli 2011 in einer Umlaufbahn um den Asteroiden (4) Vesta befindet, hat mittlerweile die erste Phase der wissenschaftlichen Datengewinnung beendet. Erste Ergebnisse wurden am gestrigen Montag im Rahmen eines derzeit in Frankreich stattfindenden Kongresses vorgestellt.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: EPSC-DPS 2011, DLR, MPS.

Der etwa 560 x 544 x 488 Kilometer durchmessende Asteroid (4) Vesta ist vermutlich einzigartig in unserem Sonnensystem. Anders als alle anderen Kleinkörper, welche im sogenannten Asteroiden-Hauptgürtel zwischen den Umlaufbahnen der Planeten Mars und Jupiter um die Sonne kreisen, weist dieser Asteroid eine differenzierte innere Struktur auf. Eine Kruste aus erkalteter Lava überdeckt dabei eine tiefer liegende Gesteinsschicht und einen darunter befindlichen Eisen-Nickel-Kern. Ein solcher Aufbau ist vergleichbar mit der Struktur der sogenannten terrestrischen Planeten Merkur, Venus, Erde und Mars. Kurz nach seiner Entstehung vor etwa 4,56 Milliarden Jahren muss der Asteroid vollkommen geschmolzen gewesen sein. In der Folgezeit kühlte Vesta langsam ab und die Gesteine trennten sich nach ihrer unterschiedlichen Dichte, wobei das schwere Material nach innen wanderte und den Kern des Asteroiden bildete.

Nach seiner Abkühlung hat sich der Asteroid chemisch nicht mehr verändert und ist somit quasi ein Zeitzeuge aus der Frühzeit unseres Sonnensystems. Am 27. September 2007 startete die Raumsonde DAWN, um dieses äußerst interessante Objekt näher zu untersuchen. Durch die eingehende Erforschung des Asteroiden bietet sich den Wissenschaftlern die Möglichkeit, eine Art „Zeitreise“ zu den Anfängen unseres Sonnensystems zu unternehmen. „Es ist das erste Mal, dass wir so nah an einen so alten Himmelskörper gelangen“, so Prof. Ralf Jaumann vom DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof. „Mit Vesta haben wir die Chance zu lernen, was passierte, als sich aus einer Staubwolke die ersten Planeten bildeten.“
Nachdem DAWN am 16. Juli 2011 in einer Entfernung von rund 16.000 Kilometern zur Asteroidenoberfläche erfolgreich in eine Umlaufbahn um den Asteroiden (4) Vesta eingeschwenkt ist (Raumfahrer.net berichtete), wurde die Höhe der Umlaufbahn anschließend noch weiter abgesenkt. In den folgenden Wochen nahm die Asteroidensonde aus rund 2.700 Kilometern Höhe eine Vielzahl von Bildern auf und sammelte wertvolle Daten, mit deren Auswertung die an der Mission beteiligten Wissenschaftler noch viele Jahre beschäftigt sein werden. Erste Ergebnisse wurden allerdings bereits am 3. Oktober 2011 im Rahmen des diesjährigen EPSC-DPS Joint Meeting 2011, einem gerade in Nantes/Frankreich stattfindenden Wissenschaftskongress, vorgestellt.

Die am besten für das menschliche Auge erfassbaren Daten liefert natürlich die „Framing Camera“ der Raumsonde DAWN, welche unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Katlenburg-Lindau entwickelt wurde. Mit dieser Kamera wurde im Verlauf der letzten Monate die gesamte südliche Hemisphäre und die Äquatorregion von Vesta abgebildet. Die Oberflächenbereiche nördlich des 30. Breitengrades können momentan noch nicht mit der Kamera erfasst werden, da diese aufgrund des Verlaufes der Umlaufbahn von Vesta um die Sonne derzeit nicht vom Sonnenlicht erreicht werden. Erst im Sommer 2012 werden dort Beleuchtungsverhältnisse gegeben sein, welche eine fotografische Erfassung sinnvoll erscheinen lassen.
Aber auch ohne den Blick auf die nördliche Hemisphäre haben die bisher zur Verfügung stehenden Bilder die Wissenschaftler wirklich überrascht: Neben diversen Impaktkratern zeigen sie eine Vielzahl von Bergen, Tälern und Canyons mit Höhenunterschieden von bis zu 25 Kilometern und einen gigantischen Berg, welcher zu den höchsten Erhebungen im bisher bekannten Sonnensystem gehört. All dies zeugt von einer immensen Dynamik in der Oberflächengestaltung. Die sehr komplexen Strukturen und die Diversität der verschiedenen Formationen war für die Wissenschaftler die größte Überraschung im bisherigen Missionsverlauf.

Mit den bisher zur Verfügung stehenden Daten haben die an der Mission beteiligten Wissenschaftler nicht nur die präzise Orientierung der Rotationsachse und des Äquators von Vesta bestimmt und die Einzelbilder zu einer Oberflächenkarte kombiniert, sondern anhand dieser Karte auch einen Nullmeridian festgelegt. Damit konnte ein einheitliches Koordinatensystem erstellt werden, durch das Vesta mit einem Netz von Längen- und Breitengraden überzogen wird. Für die Definition des Nullmeridians wählten die Wissenschaftler einen kleinen, lediglich rund 700 Meter durchmessenden Krater aus, welcher mit dem Namen „Claudia“ belegt wurde. Dieses Koordinatennetz ist eine der Grundvoraussetzungen für die Lagebestimmung einzelner Objekte auf der Astroidenoberfläche und der Charakterisierung der gesamten Topografie des Asteroiden. Neu gewonnene Daten, welche die Raumsonde bei ihren Überflügen aufzeichnet, werden in das bestehende Kartenwerk eingefügt.

Und diese mit Kratern überzogene Oberfläche hat einiges zu bieten. Zum einen zeigen die Krater unterschiedlichste Stadien der Verwitterung. Sehr scharf begrenzte Krater mit deutlich erkennbaren Decken aus Auswurfmaterial dürften jüngeren Ursprungs sein. Daneben existieren aber auch stark verwitterte Krater und Strukturen, die kaum noch als Impaktkrater zu erkennen sind. Durch die Vielzahl der Impakte wurde die Oberfläche von Vesta geradezu umgepflügt und in mehreren Schichten mit Auswurfmaterial überzogen. Eine Besonderheit der Oberfläche von Vesta besteht darin, dass die nördliche Hemisphäre des Asteroiden mit deutlich mehr Kratern bedeckt ist als dessen Südhälfte. Besonders auffällig ist dabei der Mangel an kleineren Impaktstrukturen im Süden. Anhand der gezählten Krater konnten die Geologen eine erste Einschätzung über das Alter der Oberfläche vornehmen.

Demzufolge ist die Oberfläche im Bereich des Südpols mindestens eine Milliarde Jahre jünger als die raue, mit Kratern jeglichen Alters und jeder Größe überzogene Äquatorregion. Die ältesten Bereiche der nördlichen Hemisphäre verfügen über ein Alter von etwa 3,8 Milliarden Jahren. Dieses allerdings im Vergleich zum Alter unseres Sonnensystems immer noch relativ junge Alter überraschte die Forscher, denn auf der Erde gefundene Meteoriten der sogenannten HED-Gruppe, welche vermutlich von dem Asteroiden Vesta stammen, verfügen über ein Alter von über vier Milliarden Jahren. Allerdings existieren in der Äquatorregion mehrere Bereiche, welche über ein jüngeres Alter verfügen. An diesen Stellen wurde die Oberfläche durch ein oder zwei größere Ereignisse nachträglich umgeformt.

Eine besondere Struktur ist das gewaltige, über 460 Kilometer durchmessende Bassin, welches sich am Südpol von Vesta befindet. Diese auf den Namen „Rheasilvia“ getaufte Formation unterscheidet sich in Form und Struktur von allen anderen Impaktkratern, welche bisher in unserem Sonnensystem untersucht werden konnten. Aufgrund dieser Andersartigkeit lässt sich dieser Krater mit keinenanderen bisher bekannten Strukturen vergleichen. Dies ist einer der Gründe, warum die Mitarbeiter der DAWN-Mission bisher noch nicht erklären können, was dort einst genau vorgefallen ist.

Ein Beispiel für die Besonderheit dieses südpolaren Bassins ist ein gewaltiger Berg, welcher sich fast genau im Zentrum der Vertiefung befindet und dieses Bassin mit einem Basisdurchmesser von 200 Kilometern zu einem Großteil ausfüllt. Dieser Berg erhebt sich auf eine Höhe von 20 Kilometern über den Grund des Kraters. Mit diesen nahezu gigantisch erscheinenden Ausdehnungen gehört er zu den höchsten bekannten Bergen auf den Planeten und Monden unseres Sonnensystems. Zum Vergleich: Die höchsten bisher bekannten Erhebungen unseres Sonnensystems befinden sich auf dem mit einem Durchmesser von 6.794 Kilometern im Vergleich zu Vesta deutlich größeren Planeten Mars.

Dieser besagte Berg, der Olympus Mons, erreicht bei einem Basisdurchmesser von fast 600 Kilometern eine Höhe von 26,4 Kilometern. Bisher können sich die Wissenschaftler noch nicht erklären, wie sich dieser Berg gebildet haben könnte. Auch der Südpol verfügt anscheinend über kein einheitliches Alter. Einige der dortigen Bereiche könnten sogar jünger als eine Milliarde Jahre sein. Auf dem Boden des Kraters und am Hang des Berges befinden sich mehrere Krater mit Durchmessern zwischen 20 und 50 Kilometern. Kleinere Krater sind dagegen kaum präsent.

Auf den Aufnahmen der Framing Kamera sind an den Flanken des südpolaren Berges und an den Rändern des Kraters Hangrutschungen erkennbar, welche in unterschiedliche Richtungen verlaufen und sich dabei stellenweise überlagern. Dies deutet darauf hin, dass diese Rutschungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten ausgelöst wurden. Hierfür könnten durch Impaktereignisse ausgelöste Erschütterungen der Asteroidenoberfläche oder gravitative Einflüsse verantwortlich sein. Ähnliche Hangrutschungen konnten auch an den Flanken mehrerer weiterer Krater beobachtet werden. Bruchlinien am Rand des Südpolbasis werden als tektonische Spannungsbrüche interpretiert.

Eine weitere Auffälligkeit sind eine Vielzahl von Rillen, welche sich unmittelbar südlich des Äquators über Längen von teilweise mehreren hundert Kilometern hinziehen. Diese „Grooves“ entstanden infolge von Impaktereignissen. Die dabei auftretenden Kräfte stauchten die Oberfläche zusammen und komprimierten das Material. Eine in der Äquatorregion nur minimal erkennbare unterschiedliche Ausrichtung der Rillen ist ein Indiz dafür, dass für deren Entstehung mehrere Impakte verantwortlich waren. Vergleichbare, allerdings deutlich kleiner ausfallendes Rillen sind auch in mehreren anderen Bereichen der Oberfläche zu beobachten. Alles in allem weist die Oberfläche von Vesta eine Unebenheit auf, welche größer ist als bei allen bisher untersuchten Asteroiden. Dies zeugt von einer ungewöhnlich gewalttätigen Vergangenheit mit einer Vielzahl von Kollisionen mit anderen Himmelskörpern.

Aus den bisher zur Verfügung stehenden Bilddaten haben die beteiligten Wissenschaftler zudem erste dreidimensionale Aufnahmen erstellt und 3D-Modelle des Asteroiden berechnet. Durch die Berücksichtigung der dritten Dimension wird es den Wissenschaftlern ermöglicht, die Höhenunterschiede auf der Oberfläche von Vesta besser zu berücksichtigen und den Asteroiden so genauer zu erforschen.

Allerdings sind die Wissenschaftler nicht nur auf Schwarz-Weiß-Bilder und die daraus abgeleiteten Stereoaufnahmen und Höhenmodelle angewiesen. Die Framing Camera verfügt neben einem Klar-Filter über sieben verschiedene Farbfilter, welche sichtbares und nahes Infrarotlicht in den Wellenlängenbereichen zwischen 430 und 980 Nanometern erfassen können. Die unter Verwendung dieser Filter angefertigten Einzelaufnahmen können die Wissenschaftler zu sogenannten Falschfarben-Bildern kombinieren. Die Analyse solcher Aufnahmen ermöglicht dann unter anderem Rückschlüsse auf die mineralogische Zusammensetzung der Asteroidenoberfläche.

Die Falschfarbenkarte zeigt einen zweigeteilten Körper: Die nördliche Hemisphäre reflektiert Licht in einer anderen Intensität als die südliche. Dies offenbart sich durch eine überwiegend blaue und violette Färbung im Norden. In der Umgebung des Südpols dominieren dagegen ausgedehnte gelblich-grüne Bereiche. Wie diese unterschiedlichen Farben zu interpretieren sind, ist bisher noch nicht vollständig klar. Zum Verständnis der Entstehungs- und Entwicklungsgeschichte von Vesta wird es jedoch notwendig sein, die stark ausgeprägten Farbvariationen der Oberfläche zu entschlüsseln. Auf jeden Fall deutet diese farbliche Zweiteilung auf unterschiedliche an der Oberfläche abgelagerte Minerale hin.

Zudem zeigen sich bei der Betrachtung von Falschfarbenbildern einzelner Impaktkrater auffällige Strukturen, welche einen Einblick in die Entwicklungsgeschichte des Asteroiden geben könnten. In den Falschfarbenaufnahmen offenbaren sich hier teilweise auf engsten Raum Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung der Oberfläche, die für das bloße Auge nicht erkennbar sind. „Während einige Krater in den Karten völlig unauffällig aussehen, sind andere von einem großflächigen Kranz andersfarbigen Materials umgeben“, so Dr. Nathues. Möglicherweise stammt dieses auffällige Material von den Meteoriten und Asteroiden, welche die Krater in die Oberfläche von Vesta gerissen haben. Eine andere Möglichkeit ist jedoch, dass an diesen Stellen Material aus den tieferen Schichten Vestas an die Oberfläche befördert wurde. Sollte dies der Fall sein, so böten die betreffenden Regionen den Wissenschaftlern einen indirekten Blick in das Innere von Vesta. Dunkel erscheinende Materialablagerungen in der Umgebung einiger Krater könnten so zum Beispiel die Überreste einer vulkanischen Aktivität darstellen.

Eine Hilfe bei der Entschlüsselung der Zusammensetzung der Oberfläche sind die Daten, welche das VIR-Spektrometer der Raumsonde, ein im sichtbaren und infraroten Licht arbeitendes Spektrometer, liefert. Das VIR-Spektrometer hat so zum Beispiel eine Temperaturkarte von Vesta erstellt. Demzufolge schwanken die Oberflächentemperaturen auf Vesta zwischen 170 und 240 Kelvin, wobei die höchsten Temperaturen auf der Oberfläche kurz nach der Mittagszeit erreicht werden. An einigen „Hot Spots“ steigt die Temperatur jedoch zu Spitzenwerten von bis zu 270 Kelvin an. Der Abgleich der Temperaturdaten mit den beobachteten Oberflächenstrukturen erlaubt ebenfalls Rückschlüsse auf die Oberflächenzusammensetzung. Schwarz-Weiß-Bilder ermöglichen zum Beispiel keine Rückschlüsse darauf, ob auf den Aufnahmen schattige Bereiche oder Bereiche mit einer von Natur aus dunkleren Oberfläche abgebildet sind. Eine Analyse der Temperaturen macht dies dagegen möglich.

Das VIR-Spektrometer hat bisher rund 3,7 Millionen Spektren aufgezeichnet und damit etwa 65 Prozent der Oberfläche – hauptsächlich von der Südhemisphere – abgedeckt. Diese bei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen gesammelte Spektren erlauben ebenfalls Rückschlüsse über die Oberflächenbeschaffenheit. Die bisher ausgewerteten Spektren legen nahe, das die Mineralogie der Asteroidenoberfläche nicht homogen ist, sondern vielmehr stark variiert. Helligkeitsunterschiede auf der Oberfläche fallen dabei oftmals mit Temperaturunterschieden in diesen Regionen zusammen. Variationen in den einzelnen Spektren lassen sich mit verschiedenen Oberflächenstrukturen in Verbindung bringen. Und auch die Zweiteilung der nördlichen und der südlichen Hemisphäre lässt sich in den Daten des VIR-Spektrometers nachvollziehen.

Alles in allem hat sich Vesta den Wissenschaftlern bisher als ein absolut faszinierendes und geheimnisvolles Objekt präsentiert, das noch viele Geheimnisse verbirgt und wohl auch Überraschungen parat hat. Bisher konnten die mit der Auswertung der Daten beschäftigten Wissenschaftler nur wenige der Geheimnisse dieses Asteroiden lösen – eine Tatsache, die in dieser frühen Phase der Erkundung nicht überraschen darf. Weitere Bilder und Messungen aus einem niedrigeren Orbit werden benötigt, um noch höhere Auflösungen zu erreichen. Außerdem benötigen die Mitglieder der einzelnen Teams mehr Zeit, um die Daten der verschiedenen Instrumente miteinander zu vergleichen und in einen Kontext zu setzen. Erst durch einen Abgleich der Schwarz-Weiß-Bilder mit den Falschfarbenaufnahmen, den Spektraldaten und den Temperaturdaten lassen sich letztendlich die Geheimnisse von Vesta lösen.

Raumcon-Forum:

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EPSC-DPS Joint Meeting 2011:

• Dawn at Vesta: Early Results (engl.)

Verwandte Internetseite:

• Missionsseite des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung

Technische Beschreibung der Framing Camera:

• MPS (engl.)