Kometensonde Rosetta fotografiert eigenen Schatten

Am 14. Februar 2015 überflog die Raumsonde Rosetta die Oberfläche des Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko in einer Entfernung von lediglich sechs Kilometern. Neben diversen Oberflächendetails konnte die Hauptkamera der Raumsonde dabei auch den Schatten abbilden, welchen Rosetta dabei auf den Kometen warf.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, DLR, ESA.

Nach einem mehr als zehn Jahre andauernden Flug durch unser Sonnensystem erreichte die von der europäischen Weltraumagentur ESA betriebene Raumsonde Rosetta am 6. August 2014 das Ziel ihrer Reise – den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko (der Einfachheit halber ab hier als „67P“ abgekürzt). Seitdem ‚begleitet‘ Rosetta diesen Kometen auf seinem weiteren Weg in das innere Sonnensystem und untersucht dieses Relikt aus der Entstehungsphase unseres Sonnensystems dabei intensiv mit elf wissenschaftlichen Instrumenten aus unterschiedlichen Entfernungen.

Bereits am 14. Februar 2015 erfolgte dabei ein in einer Höhe von lediglich sechs Kilometern verlaufenden Überflug. Dieser extrem dichte ‚FlyBy‘ bot den an der Mission beteiligten Wissenschaftlern die Möglichkeit, Details der Oberfläche mit einer hohen Auflösung abzubilden. Die Aufnahmen der OSIRIS-Kamera – der unter der Leitung von Mitarbeitern des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen entwickelten und betriebenen Hauptkamera an Bord von Rosetta – fertigte dabei Aufnahmen an, welche über eine Auflösung von bis zu 11 Zentimetern pro Pixel verfügen.

Eine bereits am vergangenen Dienstag veröffentlichte Aufnahme vom 14. Februar zeigt dabei einen 228 mal 228 Meter abmessenden Bereich der Region Imhotep. Neben einem auffallend eben erscheinenden Gelände sind auf der Aufnahme diverse zerklüftete Strukturen erkennbar. Beide Geländetypen sind von einem Netzwerk aus Steilhängen und schroffen Terrassen voneinander getrennt.

„Die Höhe dieser Terrassen ist nur schwer abzuschätzen, weil wir exakt von oben auf die Oberfläche blicken“, so Dr. Ekkehard Kührt vom Institut für Planetenforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin-Adlershof, einer der an dem OSIRIS-Kameraexperiment beteiligten Wissenschaftler.

Eine einzigartige Beobachtungsposition
Während des 14. Februar flog die Raumsonde Rosetta nicht nur näher an „ihrem“ Kometen vorbei als je zuvor, sondern nahm dabei zugleich auch eine einzigartige Beobachtungsposition ein. Für eine kurze Zeit waren während des Manövers Sonne, Raumsonde und Komet exakt auf einer Linie ausgerichtet.

„Bilder aus dieser Perspektive sind von hohem wissenschaftlichen Wert“, so Dr. Holger Sierks vom MPS, der wissenschaftlicher Leiter des OSIRIS-Teams. Da die Oberflächenstrukturen in dieser Anordnung so gut wie keine Schatten werfen, lassen sich aus diesen Aufnahmen die Reflexionseigenschaften des auf der Kometenoberfläche abgelagerten Staubes besonders gut erkennen.

„Bei Aufnahmen mit einer solchen Konstellation erkennt man vor allem die echten Helligkeitsunterschiede auf der Kometenoberfläche, die nicht durch einen Schattenwurf entstehen, sondern durch Streuung an den Staubkörnern an der Kometenoberfläche“, erläutert Dr. Ekkehard Kührt. „Man kann so beispielsweise gut die Größe der Staubkörner auf der Oberfläche weit unterhalb der Auflösung der Kamera bestimmen.“

„Dieser Art von Aufnahmen sind der Schlüssel zu Untersuchungen der Korngröße“, fügt Dr. Sierks hinzu.

Rosettas Schatten
Als Nebeneffekt dieser außergewöhnlichen Beobachtungsgeometrie lässt sich in der unteren Bildhälfte auf der Oberfläche des Kometen zudem der ‚Halbschatten‘ von Rosetta als verschwommener, rechteckiger dunkler Fleck erkennen, welcher eine Fläche von etwa 20 x 50 Metern bedeckt. Halbschatten treten auf, wenn ein Objekt von mehr als einer Lichtquelle oder aber von einer ausgedehnten Lichtquelle – in diesem Fall von der Sonne – beleuchtet wird. In beiden Fällen trifft das Licht aus verschiedenen Richtungen auf das Objekt.

Darüber hinaus erscheint die unmittelbare Umgebung des Schattens auf der OSIRIS-Aufnahme deutlich heller als die restliche Kometenoberfläche. Wissenschaftler bezeichnen dieses optische Phänomen als Oppositionseffekt. Er ist beispielsweise auf Fotografien zu erkennen, welche die Astronauten der Apollo-Missionen einstmals auf dem Mond anfertigten. Typischerweise tritt der Oppositionseffekt auf rauen, von Regolith überzogenen Oberflächen auf, wenn das Licht aus derselben Richtung einfällt, in die es anschließend reflektiert wird. In dieser Situation ‚verschwinden‘ die Schatten, welche die Oberflächenrauheit üblicherweise wirft, und die Helligkeit nimmt deutlich zu. Dieser Effekt wird dabei durch die Rückstreuung von Licht durch kleine Partikel auf der Kometenoberfläche noch weiter verstärkt.

Kritischer Moment während des Überfluges
Dieser extrem dichte Überflug bot den beteiligten Wissenschaftlern am 14. Februar nicht nur die Möglichkeit, Details der Kometenoberfläche mit einer hohen Auflösung abzubilden. Es ergab sich auch die Möglichkeit, die Austrittsorte der von der Oberfläche ausgehenden Jets aus Gas und Staub aus einem geringen Abstand heraus mit den anderen Instrumenten der Raumsonde zu analysieren. Diese Gelegenheit beinhaltete jedoch zugleich auch das Risiko, dass sich die Raumsonde dabei durch eine Region bewegen musste, in der sich viele Staubpartikel befanden. Hierdurch erhöhte sich automatisch auch die Gefahr, dass die Raumsonde oder einzelne Instrumente durch Kollisionen mit diesen Staubpartikeln beschädigt werden. Dieser Fall trat glücklicherweise nicht ein. Allerdings wurde stattdessen ein anderes Problem registriert.

Zwecks der Bestimmung der aktuellen Flugbahn und der Ermittlung der dabei gegebenen Orientierung im Raum verfügt die Raumsonde Rosetta über sogenannte Sternsensoren – Kameras, welche in regelmäßigen Abständen den Sternenhimmel abbilden. Bereits etwa zwei Stunden vor der dichtesten Annäherung der Raumsonde an die Oberfläche von 67P konnten die Star-Mapper die hierfür ausgewählten Sterne jedoch nicht mehr einwandfrei identifizieren, da sich zu viele Staubpartikel durch das Sichtfeld der Kamera bewegten, welche dabei die Aufnahmedaten verfälschten. Das Bordsystem der Raumsonde interpretierte dieses Problem als einen Ausfall des primären Sternsensors und schaltete – wie für einen solchen Fall vorgesehen – auf den sekundären Star-Mapper um. Auch dieser konnte jedoch die abzubildenden Sterne nicht mit einer ausreichenden Genauigkeit erkennen. Glücklicherweise blieb dieses Problem jedoch ohne negative Folgen.

„Wir hatten sehr viel Glück, dass sich die Raumsonde nicht in einen Sicherheitsmodus versetzte“, so Sylvain Lodiot vom ESOC, der für den Flugbetrieb von Rosetta verantwortliche Spacecraft Operations Manager der ESA. „Wäre ein solcher Fall eingetreten, so hätten wir die Raumsonde zwar wieder in den normalen Operationsmodus versetzen können. In der Zwischenzeit hätten sich jedoch die wissenschaftlichen Instrumente abgeschaltet. Bis diese wieder damit begonnen hätten, Daten zu sammeln wären wir bereits wieder relativ weit von dem Kometen weg gewesen.“ Und somit wäre es den beteiligten Wissenschaftlern nicht möglich gewesen, die gewünschten Informationen ‚aus allernächster Nähe‘ zu sammeln.

„Der wissenschaftliche Betrieb der Raumsonde während eines so nahen Vorbeifluges an dem Kometen ist alles andere als einfach. Wir suchen jetzt nach Mitteln und Wegen, um zukünftige Vorbeiflüge noch besser vorzubereiten. Hierbei soll die wissenschaftliche Ausbeute maximiert werden ohne die Sicherheit der Raumsonde zu gefährden“, so Matt Taylor, der für die Rosetta-Mission verantwortliche Projektwissenschaftler der ESA.
Derzeit werden von den beteiligten Wissenschaftlern und Ingenieure Pläne diskutiert, mit Rosetta im Sommer 2015 direkt durch einen der von der Kometenoberfläche ausgehenden Jets zu fliegen. Hierbei soll auf die jetzt gewonnenen Erfahrungen zurückgegriffen werden. Unter anderem soll dazu die für die Auswertung der Star-Mapper-Daten verantwortliche Software so abgeändert werden, dass diese effizient zwischen ’normalen Sternen‘ und Staubpartikeln unterscheiden kann.

Aufnahmen vom Kometenlander Philae
Die Aufnahmen der Telekamera des OSIRIS-Kameraexperiments vom 14. Februar 2015 erreichten eine Auflösung von bis zu 11 Zentimetern pro Pixel. Höher aufgelöste Aufnahmen der Kometenoberfläche konnte bisher nur die ROLIS-Kamera anfertigen, welche als eines der zehn Instrumente des von Rosetta mitgeführten Kometenlanders Philae bereits während des am 12. November 2014 erfolgten Landeanfluges an 67P Fotos mit einer Auflösung von bis zu vier Zentimetern pro Pixel anfertigte. Weitere Aufnahmen von ROLIS, welche nach der finalen Landung direkt auf der Kometenoberfläche entstanden, werden zurzeit noch von den für dieses Instrument verantwortlichen Wissenschaftlern ausgewertet. Die entsprechenden Aufnahmen verfügen über eine Auflösung von weniger als einem Millimeter pro Pixel und sollen Aufschluss über die Feinstruktur des Kometen 67P geben. Erste Ergebnisse dieser Fotokampagne werden für den April 2015 erwartet.

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