Viereinhalb Milliarden Jahre altes Kometeneis ‚luftiger‘ als Cappuccino-Schaum

Bisher waren die Stelle des Erstkontakts, der Punkt einer Kollision nach dem Wiederabheben und der finale Landeplatz bekannt, an dem Philae nach über zwei Stunden zur Ruhe kam und gegen Missionsende 2016 auch gefunden wurde. „Nun kennen wir endlich den genauen Ort, wo Philae zum zweiten Mal den Kometen berührte. Damit können wir die Flugbahn des Landers vollständig rekonstruieren und prägnante wissenschaftliche Ergebnisse aus den Telemetriedaten sowie Messungen einiger während des Landevorgangs angeschalteter Messinstrumente ableiten“, erklärt Dr. Jean-Baptiste Vincent vom DLR-Institut für Planetenforschung, der an der jetzt veröffentlichten Forschungsarbeit beteiligt ist. „Philae hatte uns noch ein allerletztes Rätsel aufgegeben ”, benennt Erstautor Laurence O’Rourke von der Europäischen Weltraumorganisation ESA die Motivation hinter der mehrjährigen Suche nach ‚TD2‘, Touchdown-Punkt 2. „Es war sehr wichtig, den Landeplatz zu identifizieren, denn die an Philae angebrachten Sensoren zeigten an, dass der Lander sich in die Oberfläche hineingegraben und so höchstwahrscheinlich das darunter liegende, urzeitliche Eis freigelegt hatte.“ Über die vergangenen Jahre wurde die Stelle in den zahlreichen Bildern und Daten von Philaes Landegebiet wie die sprichwörtliche Stecknadel im Heuhaufen gesucht.

Das Magnetometer gibt den entscheidenden Hinweis

Immer wieder suchten die Wissenschaftler in den hoch aufgelösten Aufnahmen der OSIRIS-Kamera, einem Instrument des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen auf dem Rosetta-Orbiter, nach Stellen von blankem Eis in der vermuteten Region – lange Zeit ohne Erfolg. Erst die Auswertung von Messungen mit dem Magnetometer ROMAP, das unter der Leitung der Technischen Universität Braunschweig für Philae gebaut wurde, brachte die Wissenschaftler auf die richtige Spur. Das Team untersuchte in den Daten auftretende Änderungen, als sich der 48 cm vom Lander abstehende Magnetometerausleger beim Treffen auf die Oberfläche bewegte – also weggebogen wurde. Dabei ergab sich ein charakteristisches Muster in den ROMAP-Daten, das zeigte wie sich der Ausleger relativ zu Philae bewegte. Das ermöglichte es den Forschenden abzuschätzen, wie lange die Sonde in das Eis eingedrungen war. Die Daten von ROMAP wurden mit denen des RPC-Magnetometers auf Rosetta korreliert, um die genaue Orientierung von Philae zu bestimmen.

Die ROMAP-Daten halfen, diese Stelle mit der eisgefüllten, hellen offenen Spalte in OSIRIS-Aufnahmen zu entdecken. Von oben betrachtet erinnerte ihr Anblick die Forscher an einen Totenschädel, und so tauften sie die Kontaktstelle ‚Schädeldecken-Grat‘. Das ‚rechte Auge‘ des Schädels entstand, als Philaes Oberseite den Kometenstaub hier zusammenpresste, während Philae wie eine Windmühle durch den Spalt zwischen den staubbedeckten Eisblöcken kratzte, um schließlich wieder abzuheben und die letzten wenigen Meter bis zum endgültigen Ruheort zurückzulegen. „In den Daten sahen wir damals, dass Philae mehrmals Bodenkontakt hatte und letztlich in einer schlecht beleuchteten Stelle gelandet ist. Wir kannten auch aus CONSERT-Radarmessungen den ungefähren endgültigen Landeplatz.  Das genaue Szenario der Philae Trajektorie und die exakten Punkte mit Bodenkontakt konnten jedoch nicht so schnell interpretiert werden“, erinnert sich Philae-Projektleiter Dr. Stephan Ulamec vom DLR.

Die Auswertung der OSIRIS-Fotos und mit dem abbildenden Spektrometer VIRTIS bestätigten, dass das helle Material pures Wassereis ist, das durch den Philae-Kontakt auf einer Fläche von 3,5 Quadratmetern exponiert wurde. Während dieses Kontakts lag die Region noch im Schatten. Erst Monate später fiel Sonnenlicht darauf, so dass das Eis immer noch hell in der Sonne glänzte und kaum von der Weltraumumgebung verwittert war und nachdunkelte, lediglich das Eis anderer flüchtiger Stoffe wie Kohlenmonoxid oder -dioxid verdampfte.

‚Tschuri‘ ist voller Hohlräume und ohne großen Zusammenhalt

Ist diese Rekonstruktion der Ereignisse allein schon eine anspruchsvolle Detektivarbeit, bietet diese erste direkte Messung der Konsistenz von Kometeneis vor allem auch wichtige Erkenntnisse: Die Parameter des Bodenkontakts zeigten, dass diese Milliarden Jahre alte Eisstaubmischung außerordentlich weich ist: Sie ist poröser als der Schaum auf einem Cappuccino, dem Schaum in der Badewanne oder in den Schaumkronen von an die Küste auslaufenden Wellen. „Die mechanische Spannung, die das Kometeneis in diesem von Staub bedeckten Brocken zusammenhält, beträgt gerade einmal 12 Pascal. Das ist nicht viel mehr als ‚nichts‘“, erläutert Dr. Jean-Baptiste Vincent, der sich in der Studie mit der Druck- und Zugfestigkeit von ‚primitivem‘ Eis beschäftigt, das in Kometen seit viereinhalb Milliarden Jahren wie in einer kosmischen Tiefkühltruhe als Zeugnis der frühesten Stunden des Sonnensystems aufbewahrt ist.

Die Untersuchung ermöglichte auch eine Schätzung der Porosität des ‚Felsens‘, der von Philae touchiert wurde: Etwa 75 Prozent, also drei Viertel des Inneren, besteht aus Hohlräumen. Die auf den Bilder allgegenwärtigen ‚Felsbrocken‘ sind also eher mit Styroporfelsen in einer Fantasielandschaft im Filmstudio vergleichbar als mit echten, harten, massiven Felsen. An einer anderen Stelle bewegte sich ein in mehreren Fotos festgehaltener, sechs Meter großer Block, durch den Gasdruck verdampfenden Kometeneises sogar hangaufwärts.

Diese Beobachtungen bestätigen ein Ergebnis der Rosetta-Orbitermission, die einen ähnlichen Zahlenwert für den Anteil von Hohlräumen ermittelte und zeigte, dass das Innere von 67P/Churyumov-Gerasimenko bis auf eine Blockgröße von einem Meter homogen sein dürfte. Das zieht die Schlussfolgerung nach sich, dass die ‚Felsbrocken‘ an der Oberfläche den Gesamtzustand des Kometeninneren darstellen, als er sich vor etwa 4,5 Milliarden Jahren gebildet hat. Das Ergebnis ist nicht nur wissenschaftlich für die Charakterisierung von Kometen, der zusammen mit den Asteroiden ursprünglichsten Körper des Sonnensystems, relevant, sondern ermöglicht auch Abschätzungen für zukünftige Kometenmissionen, bei denen auf einem dieser ‚Schweifsterne‘ aufgesetzt und Probenmaterial für die Rückführung zu Erde gewonnen werden soll, was gegenwärtig in Überlegung ist.

12. November 2014 – die erste Landung auf einem Kometen

Philae wurde am Nachmittag (MEZ) des 12. November sanft von der Muttersonde Rosetta abgetrennt und fiel mit der Geschwindigkeit eines Fußgängers in Richtung des Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko. Wie Bilder der DLR-Kamera ROLIS später zeigten, traf die etwa kubikmetergroße Landesonde die vorgesehene Landestelle Agilkia nahezu perfekt. Allerdings konnte sich Philae nicht auf ‚Tschuri‘ verankern, weil die dafür vorgesehenen Ankerharpunen nicht zündeten. Da der Komet nur etwa ein Hunderttausendstel der Anziehungskraft im Vergleich zur Erde an ihrer Oberfläche hat, prallte Philae vom Kometen ab, erhob sich bis in einen Kilometer Höhe und schwebte über die Region Hatmehit auf dem kleineren der beiden Kometenhalbkörper. Nach über zwei Stunden meldete sich Philae von ‚Tschuri‘: Die während der beiden Stunden zu Rosetta übertragenen Daten zeigten, dass die Sonde nach ihrem turbulenten Hüpfflug, einer unsanften Kollision mit einer Geländekante und zwei weiteren Bodenkontakten zur Ruhe gekommen war. Wenig später konnte Philae auch Bilder des Abydos getauften endgültigen Landeplatzes via Rosetta zur Erde funken.