Raumsonde: Aufbruch in die Kinderstube des Sonnensystems

Am 7. Juli beginnt für die amerikanische Raumfahrtbehörde Nasa ein neues Abenteuer. Von Cape Canaveral startet – an der Spitze einer Delta-II-Rakete – die Sonde Dawn in kosmisches Neuland. Es geht zu Ceres und Vesta, dem größten und dem drittgrößten Himmelskörper im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter. Die Forscher erhoffen sich von Dawn auch Erkenntnisse über die Entstehung der Planeten. Denn vermutlich handelt es sich bei Ceres und Vesta um weitgehend unveränderte „Protoplaneten“ aus der Frühzeit des Sonnensystems.

Vor 4,5 Milliarden Jahren umgab eine wirbelnde Scheibe aus Gas und Staub die junge Sonne. Die Staubteilchen begannen, sich zusammenzuballen. Durch Zusammenstöße und Verschmelzungen entstanden immer größere Objekte: erst kilometergroße „Planetesimale“, dann „Protoplaneten“ mit bis zu 1000 Kilometer Durchmesser und schließlich die heutigen Planeten. Einer dieser frisch gebackenen Planeten erwies sich als Störenfried. Jupiter, ein Riese mit mehr als 300-facher Erdmasse, verhinderte mit seiner gewaltigen Schwerkraft, dass sich ein weiterer Planet im Bereich des heutigen Asteroidengürtels bilden konnte.

Die dort erhaltenen Protoplaneten sind deshalb, so hoffen die Wissenschaftler, eine Art Geschichtsbuch der Planetenentstehung. Allerdings haben Zusammenstöße untereinander die meisten der Protoplaneten über die Jahrmilliarden hinweg zerstört. Der Asteroidengürtel ist heute übersäht mit den Trümmern dieser kosmischen Katastrophen: kilometergroße, unregelmäßig geformte Asteroiden, die wegen der vielen Kollisionen oft nur aus locker gepacktem Gesteinsschutt bestehen. Ceres und Vesta scheinen jedoch weitgehend im ursprünglichen Zustand erhalten geblieben zu sein und sich als Fundgrube für die Forscher erweisen.

Schon im 18. Jahrhundert fiel den Astronomen eine Lücke im Sonnensystem auf. Denn die Abstände der damals bekannten Planeten folgten alle einer empirisch gefundenen mathematischen Regel, der „Titius-Bode-Reihe“ – die die Existenz eines weiteren Planten zwischen Mars und Jupiter voraussagte. Bei der Überprüfung eines Sternenkataloges erspähte Guiseppe Piazza von der Sternwarte Palermo auf Sizilien in der Neujahrsnacht 1801 ein nicht verzeichnetes Objekt. Und der Ceres genannte Himmelskörper zog seine Bahn tatsächlich exakt in der bisherigen Lücke der Titius-Bode-Reihe. Der fehlende Planet, so schien es, war also endlich gefunden.

Doch der Jubel hielt nicht lange an. Denn am 28. März 1802 entdeckte der Bremer Astronom Heinrich Olbers mit Pallas ein weiteres Objekt zwischen Mars und Jupiter. 1804 und 1807 folgten Juno und Vesta, ab 1846 wuchs die Zahl der von dem deutsch-britischen Astronomen Wilhelm Herschel Asteroiden getauften Himmelskörper geradezu lawinenartig an: 1890 waren es 300, heute kennen wir über 100 000.

Obwohl es so viele Asteroiden gibt, reicht ihre Masse insgesamt nicht an die eines kleinen Planeten heran. Sie beträgt nur etwa ein Eintausendsechshundertstel der Erdmasse. Allein ein Viertel bis ein Drittel der Masse entfällt auf Ceres. Dieser Himmelskörper besitzt somit als einziges Objekt im Asteroidengürtel genügend Masse, um unter der Last seiner Schwerkraft fast Kugelform anzunehmen. Seit Sommer vergangenen Jahres bezeichnen ihn die Astronomen deshalb nicht mehr als Asteroiden, sondern als Zwergplaneten – ein Nebeneffekt des monatelangen Streits um Pluto, der damals seine Planetenstatus verlor.

Vesta besitzt zwar die zweitgrößte Masse im Asteroidengürtel, doch seine Gestalt weicht schon deutlich von einer Kugel ab. Der etwa 500 Kilometer große Asteroid ist ein Ellipsoid mit einer gewaltige Delle am Südpol. Aufnahmen mit dem Weltraumteleskop Hubble und dem Keck-Teleskop auf Hawaii zeigen dort einen 400 Kilometer großen Krater.

Die Forscher vermuten, dass der innere Aufbau Vestas dem der erdähnlichen Planeten ähnelt: Im Inneren gibt es einen metallischen Kern aus Eisen und Nickel, umgeben von einem Mantel aus schwerem Gestein, auf dem sich eine dünne Kruste aus Basaltgestein befindet. Vermutlich hat der radioaktive Zerfall kurzlebiger Elemente die Protoplaneten im jungen Sonnensystem so stark aufgeheizt, dass sie zunächst glutflüssig waren. Dadurch konnten sie „ausdifferenzieren“. Die schwere Elemente sanken ins Innere und bildeten den Kern, die leichteren formten Mantel und Kruste.

Obwohl auch Ceres ausdifferenziert ist, scheint er doch einen völlig anderen Aufbau als Vesta zu besitzen. Der aus Metallen und Gestein bestehende Kern ist vermutlich von einem 60 bis 120 Kilometer dicken Mantel aus Eis umgeben. Die dünne Kruste von Ceres besteht möglicherweise aus einem Gemisch aus Gestein und Eis. Vielleicht hat aber die Aufheizung bei Ceres nicht ausgereicht, um auch die Oberfläche zu schmelzen. Dort könnte sich also noch das ursprüngliche Material der Protoplaneten vor ihrer radioaktiven Aufheizung erhalten haben.

Es sind die Unterschiede im Aufbau, die Vesta und Ceres für die Forscher so spannend machen. Offenbar verlief bei der Bildung der Protoplaneten die „Eisgrenze“ genau zwischen den beiden Himmelskörpern. Jenseits dieser Grenze waren die Temperaturen so niedrig, dass sich der Wasserdampf als Eis auf den Protoplaneten absetzen konnte. So entstanden dort Objekte mit großem Anteil gefrorenen Wassers, wie es Ceres, die Monde der Planeten Jupiter und Saturn sowie weiter draußen die Kometen sind.

Innerhalb der Eisgrenze war die Temperatur zu hoch. Dort wurden die leichteren Elemente wie Wasserstoff von der Sonnenstrahlung fast ganz fortgeblasen. Es entstanden wasserarme Himmelskörper wie Vesta und die terrestrischen Planeten. Größere Wasservorkommen wie auf der Erde sind vermutlich erst später wieder von den Kometen in das innere Sonnensystem transportiert worden. Bleibt abzuwarten, ob Dawn diese Vorstellungen der Planetenforscher bestätigt – oder auf neue Überraschungen stößt.

Erstes Ziel der Sonde ist Vesta. Im Oktober 2011 schwenkt Dawn in eine Umlaufbahn um den Asteroiden ein. Sieben Monate später fliegt sie dann weiter zu Ceres, den sie, geht alles nach Plan, 2015 erreichen wird. Zahlreiche Messgeräte sollen Informationen über chemische Zusammensetzung und inneren Aufbau der beiden Himmelskörper liefern. Dazu gehören auch zwei in Deutschland entwickelte Spezialkameras, die aus einer Flughöhe von 50 Kilometern noch fünf bis zehn Meter große Einzelheiten auf der Oberfläche von Ceres und Vesta sichtbar machen sollen.