Kind einer Kollision

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Tomoki Nakamura aus Tohoku, Japan, hat Bodenproben untersucht, die die japanische Raumsonde Hayabusa-2 auf dem Asteroiden Ryugu einsammelte. Falko Langenhorst von der Friedrich-Schiller-Universität Jena gehörte zu der Gruppe, die aus der Analyse des außerirdischen Materials Erkenntnisse über die Entstehung des Asteroiden und die einzigartigen Prozesse gewann, die sich in den ersten fünf Millionen Jahren nach der Geburt unseres Sonnen­systems abspielten.

Langenhorst hatte schon Staub des Asteroiden Itokawa, Materie von Mars­meteoriten und interstellaren Staub, den die NASA-Sonde Stardust im Weltall einsammelte, unter seinem Mikroskop. Seine Expertise als Meteoriten­forscher machte ihn zuletzt zum Mitglied eines ausgesuchten internationalen Forschungsteams bei der Mission der Weltraumsonde Hayabusa-2 zum Asteroiden Ryugu. Unter dem Trans­missions­elektronen­mikroskop untersuchte er in den Bruchstücken vom steinernen Kleinplaneten Minerale, die in astronomischen Dimensionen sehr konkrete Aussagen zur Geburtsstunde des Asteroiden zulassen.

Manche dieser Gesteinsbrocken sind nur etwas größer als ein Auto, manche aber haben einen und mehr Kilometern Durchmesser – die Asteroiden oder Planetoiden, von denen Millionen in unserem Sonnensystem ihre Bahnen ziehen. Neunzig Prozent davon sind im Asteroiden­gürtel zwischen den Planeten Jupiter und Mars unterwegs, einige jedoch kommen der Sonne und damit auch der Erde viel näher. Zu den erdnahen Asteroiden gehört auch Ryugu, ein Gesteinsbrocken von rund einem Kilometer Durchmesser, der einem auf einer Ecke stehenden Pflasterstein ähnelt. Für seinen Flug um die Sonne in einer Entfernung von 0,96 bis 1,42 astronomischen Einheiten braucht er 474,5 Tage und kreuzt dabei auch die Erdumlaufbahn. Das macht ihn zu einem besonders interessanten Forschungs­objekt für die Astrowissenschaft.

„Himmelskörper wie Asteroiden, beziehungsweise die von ihnen stammenden Meteoriten, sind so faszinierend, weil sie uns einzigartige Informationen über die Anfänge unseres Sonnen­systems liefern“, sagt Langenhorst. Der Professor für analytische Mineralogie der Mikro- und Nanostrukturen an der Universität Jena ist seit langem damit beschäftigt, Materie aus dem Weltall bis ins kleinste Detail zu analysieren, um die Prozesse bei der Entstehung und Formierung unseres Sonnensystems aufklären zu helfen.

Er war schon 2006 an der Stardust-Mission der NASA zu einem Kometen beteiligt. Langenhorsts Expertise als Astro-Mineraloge war auch gefragt bei der 2003 gestarteten ersten Mission einer japanischen Raumsonde zum Asteroiden Itokawa. Die Sonde wurde nach dem scharfsichtigen Wanderfalken Hayabusa benannt. Der Jenaer gehörte zu dem internationalen Team, das den extra­terrestrischen Staub von der Itokawa-Oberfläche untersuchte, den die Sonde 2010 zur Erde gebracht hatte. „Material in der Hand zu halten, das von einem Himmelskörper stammt, der seit Jahrmillionen seine Bahn im Weltall zieht, ist schon faszinierend“, gesteht Langenhorst. Diesen Staubkörnern ihr Geheimnis zu entlocken, treibe ihn immer wieder aufs Neue an.

2014 bestimmte die Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) den Asteroiden Ryugu als Ziel ihrer Hayabusa-2-Mission. Die Raumsonde erreichte nach mehrjährigem Flug den Kleinplaneten Ryugu und schickte 2018 nicht nur erstaunliche Fotos von dem Himmelskörper zur Erde, sondern brachte zwei Jahre später auch Gesteinsmaterial von dort mit zurück. „Während Hayabusa 1 aufgewirbelten Staub eingesammelt hatte, dessen größtes Korn etwa 0,3 Millimeter klein war, brachte die Sonde diesmal zahlreiche, mehrere Millimeter große Bruchstücke von Ryugu zur Erde“, erklärt Langenhorst. Seine Aufgabe war es, die Minerale in den Gesteinsbruchstücken von Ryugu zu identifizieren und die Verteilung der chemischen Elemente darin zu analysieren.

„Dabei arbeitete ich mit einem Transmissions-Elektronen-Mikroskop, das mit einer Auflösung von unter einem Nanometer erstaunliche Details des Materials offenbarte“, erklärt er. „So haben wir festgestellt, dass Ryugu ein sogenannter Schutthaufen-Asteroid ist, auf Englisch ,Rubble Pile'. Das Gestein ist nicht kompakt, sondern besteht aus unzähligen, quasi zusammen­gebackenen Gesteins­scherben“, beschreibt Langenhorst seine Beobachtungen. Das lasse den Rückschluss zu, dass der heutige Asteroid Ryugu sich erst aus den Trümmern eines Einschlags auf einem ursprünglich deutlich größeren Ur-Asteroiden zusammengeballt hatte.

Die Forscher fanden auch Belege dafür, dass die Kinderstube von Ryugu nicht im zentrumsnahen Bereich unseres Sonnensystems gelegen hat, wo sich der Asteroid heute bewegt, sondern im äußeren Bereich des Sonnensystems. „Dort herrschen Temperaturen deutlich unter dem Gefrierpunkt, dabei kondensieren Wasser und andere leichte Moleküle wie Methan und Ammoniak zu Eisen und ballen sich mit Mineralstaub zu dreckigen Schneebällen zusammen, den Kometen. Da jedoch in der Frühphase des Sonnensystems auch kurzlebige radioaktive Elemente beteiligt waren, erwärmte sich Ryugu relativ schnell nach der Zusammen­ballung, sodass das Eis schmolz und Mineralreaktionen einsetzten“, erklärt Langenhorst. Denkbar sei, dass Ryugu also früher ein Komet war. Bei seiner Annäherung an die Sonne sei das Wasser gewissermaßen verdunstet und der feste Staub blieb übrig.

Das Hayabusa-2-Team machte dazu neue Entdeckungen. Einer seiner Kollegen entdeckte in einem Staubkorn vom Asteroiden einen Wassereinschluss, der neben Kohlensäure und Salz auch organische Moleküle enthielt. Andere fanden einen Mikrometer kleine Kügelchen organischen Materials im außerirdischen Gestein.

Vergleichbares kannte man aus Untersuchungen an einem Meteoriten namens Ivuna, der 1938 in Tansania gefunden wurde, und der in die Gruppe der kohligen Chondrite gehört. „Ivuna ist unserem Ryugu zum Verwechseln ähnlich“, berichtet er. Die kohligen Chondrite, so erklärt der Wissenschaftler, seien die ältesten Gesteine unseres Sonnensystems. „Als Urmaterie geben sie am besten die Zusammensetzung unseres Sonnensystems wieder.“

Die neuen Erkenntnisse über Evolution und Diversität der Minerale und anderen Bestandteile der Ryugu-Bodenproben versetzen die Forscher jetzt in die Lage, Aussagen über die Zeit zu treffen, in der der Asteroid entstand und sich entwickelte. „Wir vermuten, dass Ryugu von einem älteren großen Asteroiden abstammt. Dieser Ur-Asteroid bildete sich innerhalb von nur zwei Millionen Jahren nach der Geburt des Sonnensystems in dessen äußerem Bereich, wo Wasser und andere Moleküle als Eis vorhanden waren.

Unter radioaktiver Erwärmung schmolz das Eis, wobei sich in diesem Prozess der aquatischen Alteration neue Minerale wie Schichtsilikate, Karbonate und Eisenoxide im Ur-Asteroiden kristallisierten. All diese Prozesse waren nach nur etwa fünf Millionen Jahren beendet. Danach kam es zu der kosmischen Kollision, bei der Teile des Ur-Asteroiden abgesprengt wurden, aus denen sich der neue Asteroid Ryugu formte“, fasst Langenhorst die Ergebnisse des Forschungs­teams zusammen. „Auch wenn wir Prozesse aus der Frühzeit unseres Sonnen­systems immer besser aufklären, so ist es wohl unwahrscheinlich, die Rätsel um den Beginn unseres Sonnensystems je vollständig lösen zu können“, räumt er ein.

U. Jena / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  T. Nakamura et al.: Formation and evolution of carbonaceous asteroid Ryugu: Direct evidence from return samples, Science, online 22. September 2022; DOI: 10.1126/science.abn8671
• Analytische Mineralogie der Mikro- und Nanostrukturen (F. Langenhorst), Friedrich-Schiller-Universität Jena