Besucherandrang auf dem Mars

Die Choreografie wirkte eingespielt: Am 18. Februar 2021 schoss eine Raum­kapsel in die Atmosphäre des Mars. Das Absprengen von Hitze­schild, das Entfalten des Bremsfallschirms und das Abseilen mit einem raketen­getriebenen „Sky Crane“ klappte wie am Schnürchen. Alles an diesen „sieben Minuten Terror“, der autonomen Lande­sequenz des neuesten NASA-Rovers Perseverance, erinnerte an die Landung des Vorgängers Curiosity über acht Jahre zuvor. Und doch ist bei dieser Mission Vieles anders.

Tatsächlich markierte der gelandete Perseverance-Rover eine neue Etappe der Marsforschung: Perseverance hat im Laufe des Jahres sechs Proben gesammelt, die später gemeinsam mit weiteren Probenbehältern an gut erreichbaren Orten an der Oberfläche abgelegt werden sollen, wo sie in einigen Jahren von einem anderen Rover zum Rücktransport zur Erde abgeholt werden sollen. Dazu flog mit dem 1,8 Kilogramm schweren Ingenuity erstmals ein Helikopter durch die Marsatmosphäre. Bis zum Dezember 2021 absolvierte Ingenuity 18 Flüge mit einer Gesamt­flugzeit von 30 Minuten.

Eine neue Etappe wurde am Mars wurde auch durch weitere Besucher eingeläutet. Schon neun Tage vor Perseverance erreichte Al-Amal des Planeten, ein Atmosphären-Erkunder und die erste Raumsonde der Vereinigten Arabischen Emirate. Einen Tag darauf, am 10. Februar, schwenkte dann Tianwen-1 in eine Umlaufbahn ein. Die erste erfolgreiche Marssonde aus China besteht aus einem Orbiter samt Lander und dem Rover Zhurong. Am 22. Mai 2021 gelang auch deren Landung in der nördlichen Tiefebene Utopia Planitia.

Während die Arbeit der drei Missionen erst begann, lieferte der bereits seit drei Jahren aktive Lander InSight der NASA tiefgreifende Ergebnisse. Wichtigstes Instrument an Bord ist ein Seismometer, dessen Daten nun die bislang genauesten Rückschlüsse auf den inneren Aufbau des Roten Planeten ermöglichten. Demnach liegt unter der dünnen Kruste eine starre Mantelregion, die deutlich dicker ist als bei der Erde, was die fehlende Plattentektonik auf dem Mars erklärt. Der Marskern ist dagegen etwas größer als erwartet, komplett geschmolzen und besitzt dazu eine geringere Dichte als erwartet. Aus diesem Aufbau schließen die Forscher, dass einige Entwicklungs­modelle des Planeten nun korrigiert werden müssen.

Weitere Neuigkeiten vom Mars betreffen die rätselhaften chaotischen Terrains, die es auf der Erde schlicht nicht gibt und deren Ursprung noch immer ungeklärt war. Darin sind von Rissen durchzogene Krater, Täler und rechteckige Tafelberge wild durcheinander gemischt. Einige Forscher hatten die Entstehung dieser Landschaftsform mit Eis erklärt, das innerhalb kurzer Zeit flüssig oder gasförmig geworden ist. Nun gelang es einer Geologin, eine alternative Erklärung zu finden und erstmals auch mit einem Analog­experiment im Labor nachzustellen: Danach ließen sich chaotische Terrains auch mit rein vulkanischen Prozessen erklären.

Jupiter: extremer Wind und Fund auf Ganymed

Viel Aufmerksamkeit kam den Gasriesen und vor allem dem Jupiter zu. Die spektakulärste Entdeckung gelang dabei einem Forscherteam in der Stratosphäre. Sie hatten dafür die chemischen Überreste eines Kometen analysiert, der bereits vor zwei Jahrzehnten in der Atmosphäre zerbrochen war. Von diesem Ereignis sind noch immer Blausäure-Moleküle zurückgeblieben, deren Geschwindigkeit nun genau vermessen werden konnte. Mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile bestimmten die Forscher die Doppler-Verschiebung der Moleküle in Jupiters Stratosphäre und fanden dabei überraschend schnelle Winde, die selbst die tiefer liegenden Sturmsysteme wie jene des Großen Roten Flecks deutlich übertreffen.

Ganymed, der größte Mond des Jupiters, besitzt oberhalb eines unterirdischen Ozeans einen dicken Eispanzer – darüber hinaus aber nur eine extrem dünne Sauerstoff-Atmosphäre. Nun fand ein Forscherteam auf der sonnenbeschienenen Seite des Mondes eine Wasser­dampf­fontäne. Das dabei frei werdende Gas ist lokal fünfmal dichter als das umgebende Gasgemisch. Zwar sorgt die Fontäne nicht für atembare Luft, dennoch hat die Fontäne für Überraschung gesorgt.

Die Vergangenheit der Planeten

Die äußeren Gasriesen Uranus und Neptun, die wegen ihrer tiefen Temperaturen und ihrer Wasser-, Ammoniak- und Methan-haltigen Kerne auch als Eisriesen bezeichnet werden, beschäftigen Forscher schon lange. Dazu gehören ihre ungewöhnlichen Magnetfelder, die nicht nur stark von den Eigendrehachsen der Planeten abweichen, sondern auch von deren Massezentren. Schon länger gab es Vermutungen, dass möglicherweise ein exotischer Materiezustand dafür verantwortlich ist: Im super­ionischen Zustand, der Eigenschaften von flüssiger und fester Phase miteinander vereint, sollen in den Kernen der Planeten Wasserstoffionen in einer Gitterstruktur aus Sauerstoff und Stickstoff beweglich werden. Diese theoretische Vorhersage konnte nun erstmals im Labor überprüft werden. Allerdings gelang es noch nicht, die Magnetfelder von Uranus und Neptun vollständig zu erklären.

Das Interesse an den Eisriesen ist zusätzlich groß, weil ausgerechnet deren planetare Größenklasse unter den Tausenden bekannten Exoplaneten am häufigsten ist. Die Ursache dafür war bisher unklar. Jetzt zeigten Modellrechnungen, dass das Wachstum der riesigen Gasplaneten wie Jupiter und Saturn in einer protoplanetaren Scheibe begrenzt wird, sobald die ersten Planeten Magnetfelder ausbilden. Diese Magnetfelder verhindern ab einer bestimmten Größe den bereits entstandenen Riesen, noch mehr Masse anzuhäufen.

Auch das Verständnis der Aufteilung unseres eigenen Planetensystems in eher kleine Gesteinsplaneten in Nachbarschaft der Sonne und den Gasriesen in größerer Entfernung hat Fortschritte gemacht. Dabei geht es um Prozesse um die junge Sonne, die von einer Staubscheibe, der protoplanetaren Scheibe, umgeben war. Neuen Modellen zufolge sind die erdähnlichen Planeten, zu denen auch Merkur, Venus und Mars gehören, schon früh entstanden: Da nahe am Stern weniger turbulente Bedingungen herrschten, konnten sich Staubteilchen der proto­planetaren Scheibe hier schneller zu größeren Brocken verbinden und anwachsen. Weiter draußen ging es dagegen zunächst turbulenter zu, bis sich schließlich auch dort Planeten­bausteine und schließlich die Gasriesen bildeten.

Nach der Entstehung der Planeten ging es zunächst ruhiger zu, da sie nach etlichen Jahrmillionen das meiste gasförmige und feste Material der protoplanetaren Scheibe aufgenommen hatten. Im vom Mond zurückgebrachten Gestein des Apollo-Programms entdeckten Forscher dann eine nur schwer erklärliche Zunahme von Meteoriten­einschlägen, die vor rund vier Milliarden Jahren begonnen haben sollte. Das hatten die Forscher auf Basis von Gesteinsproben vom Mond abgeleitet. Allerdings sprechen nun immer neue Indizien dafür, dass dieses „große Bombardement“ vielleicht doch nicht stattgefunden hat. Die Daten aus dem Mondgestein stammten vermutlich nur aus einem einzelnen Einschlagskrater und deren Aussagekraft ist somit begrenzt. Dazu gesellt sich eine Analyse von Vesta, dem größten Asteroiden des Hauptgürtels zwischen Mars- und Jupiterbahn. Daten der NASA-Raumsonde Dawn deuten auch dort auf ein Bombardement mit Meteoriten hin, das aber deutlich früher stattfand als bislang gedacht und nicht mit dem vermuteten späten Bombardement vereinbar ist.

Kometen von nah und fern

Genau ein Jahr ist es her: Am 3. Januar 2021 entdeckte der US-Astrogeologe Gregory J. Leonard einen damals noch unscheinbaren Kometen, der erst in den vergangenen Wochen zu Höchstform auflief. Komet C/2021 A1 (Leonard) durchlief am 12. Dezember 2021 seinen erdnächsten Punkt und war mancherorts mit bloßem Auge zu erkennen. Solche langperiodischen Komet entstammen der Oortschen Wolke am Rand des Sonnensystems und neigen deshalb zu starken Ausgasungen, wenn sie sich der Sonne nähern.

Weit exotischer sind interstellare Kometen, die mutmaßlich aus anderen Planetensystemen stammen. Nach 1I/ʻOumuamua im Jahr 2017 entdeckten Astronomen zwei Jahre darauf den zweiten interstellaren Kometen 2I/Borisov. Untersuchungen mit dem Very Large Telescope in Chile haben nun ergeben, dass dieser sogar deutlich urtümlicher als die langperiodischen Kometen aus unserer Oortschen Wolke sind: Die spektralen Eigenschaften von Borislov deuteten darauf hin, dass dieser nie zuvor einem Stern derart nahe gekommen ist und seine Beschaffenheit damit der eines präsolaren Nebels entsprechen dürfte. Dieses Ergebnis dürfte auch für die ESA-Mission Comet Interceptor interessant sein: Die Sonde soll 2028 starten und so lange in Erdnähe geparkt werden, bis ein geeigneter neuer interstellarer Komet entdeckt wird, der dann in kurzer Zeit angesteuert werden kann.

Einen überraschenden Befund machte ein belgisches Astronomenteam mit dem Very Large Telescope: Sie entdeckten in den Ausgasungen diverser Kometen die Schwermetalle Nickel und Eisen. Sogar am interstellaren Besucher 2I/Borisov wurden die Forscher fündig. Solche Metalle wurden bisher mit Orten mit intensiver Sonnenstrahlung in Verbindung gebracht, nicht aber mit Kometen, die für die meiste Zeit fernab der Sonne kreisen. Die Forscher vermuten, dass noch nicht näher bekannte chemische Verbindungen die Metalle auch schon bei deutlich niedrigeren Temperaturen freisetzen können als bislang gedacht.

Wie die Sonne flackert

Die Sonne selbst wird derzeit intensiv beobachtet, denn neben mehreren schon existierenden Forschungsmissionen nehmen mit der Parker Solar Probe der NASA sowie dem Solar Orbiter der ESA derzeit gleich zwei leistungsfähige Weltraum­observatorien ihre Arbeit auf. Schon vor Beginn der wissenschaftlichen Missionsphase entdeckten belgische Forscher dabei ein neues Phänomen in der Sonnenkorona, das sie als „Lagerfeuer“ bezeichneten. Diese Strahlungsausbrüche dauern nur wenige Minuten an und betreffen Regionen, die zwischen 400 und 4000 Kilometer groß sind und damit deutlich kleiner als die zuvor bekannten Ausbruchstypen.

Auch bei den Aktivitätszyklen der Sonne gibt es noch viele offene Fragen: Die Intensität von Ausbrüchen wandelt sich nicht nur im bekannten Zyklus von elf Jahren, sondern auch in kürzeren Zyklen von Minuten und vielfach längeren Zyklen von über tausend Jahren. Für die Ursachen dieser Schwankungen gibt es nun zunehmend schlüssige Erklärungen.

Überraschungen aus dem Erdinneren

Die Erde gilt als dynamischer Planet, denn Wasser, Wind und Wetter gestalten ihre Oberfläche beständig um. Ebenso wandelbar ist das Erdinnere bis hinab zum Erdkern, in dem das starke Dipol­magnetfeld des Planeten entsteht. Dieses Feld polt sich im Durchschnitt alle 500.000 Jahre um, mit zeitweise dramatischen Folgen. Eine erdgeschichtlich betrachtet kurze, aber folgenreiche Umpolung vor rund 42.000 Jahren haben Forscher jetzt genauer untersucht: Für mehrere Jahrhunderte war das Feld damals fast gänzlich verschwunden. Dabei dürften die Ozonschicht beschädigt worden sein und weltweit Polarlichter am Himmel getanzt haben.

Die ersten Ideen zur Plattentektonik wurden schon vor einem Jahrhundert von Alfred Wegener formuliert und dann in den 1960er Jahren zu einem schlüssigen Modell vereinigt. Überraschend haben Forscher jetzt eine bislang kaum betrachtetes Element der Plattentektonik ins Rampenlicht gehoben: Es sind die Transform­störungen, die bislang als weitgehend passiv angesehen wurden. Sie liegen an Knickstellen der mittelozeanischen Rücken, die alle großen Ozeane durchziehen. Bislang hielt man die Transform­störungen für magmatisch inaktiv. Tatsächlich ist das Gegenteil der Fall: In ihnen tritt tief unter dem Meer ein zweistufiger Vulkanismus auf, der bislang vernachlässigt worden war.

Die Überwachung von Vulkanen an der Erdoberfläche macht nicht nur durch Satelliten weiter Fortschritte. Eine weitere Entwicklung tragen zunehmend Algorithmen mit künstlicher Intelligenz bei, die große Datenmengen auswerten: Dank ihnen lassen sich selbst kleine Hebungs­bewegungen rund um ruhende Vulkane überwachen, um bevorstehende Ausbrüche rechtzeitig zu erkennen. Dabei erkennen sie selbst unauffällige Muster sogar besser als menschliche Vulkanologen.

Vor 15 Millionen Jahren schlug ein gewaltiger Meteorit in den Ostrand der Schwäbischen Alb ein und schuf dabei den rund 20 Kilometer großen Krater des Nördlinger Ries. In diesem Krater entdecken Geowissenschaftler bis heute zuvor unbekannte Phänomene. Dazu gehörte nun eine Ascheschicht in den Sedimenten, die den Krater nach dem Einschlag füllten. Dabei handelt es sich um Asche eines fernen Vulkanausbruchs, die nun eine genaue Zuordnung verschiedener Schichten innerhalb des Rieskraters zuließ. Demnach muss sich ein Teil der Sedimente im Krater um 135 Meter gesenkt haben – ein außergewöhnlich hoher Wert. Das Ergebnis soll nun helfen, Krater auf anderen Planeten wie dem Mars besser zu verstehen.

Karl Urban

Weitere Infos

• R. Kayser: Raumsonden erforschen das Sonnensystem und seine Entstehung – Jahresrückblick Sonnensystemforschung und Geophysik 2020, pro-physik.de, 5. Januar 2021
• R. Kayser: Schwarze Löcher im Fokus und kosmologische Probleme am Horizont – Jahresrückblick Astrophysik, Astronomie und Kosmologie 2020, pro-physik.de, 29. Dezember 2021

Weitere Beiträge

• Dossier: Sonnensystem (Physik Journal)

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