Asteroiden im irdischen Nahfeld

Kollisionen von Himmelsbrocken sind bei der Entstehung von  Planetensystemen alltäglich. Erst allmählich bilden sich durch zufällige Zusammenstöße lokale Schwerkraftzentren heraus, Keimzellen der Planeten. Die jungen Trabanten von Sternen sind noch viele Millionen Jahre danach zahlreichen Bombardements solcher vagabundierenden Objekte ausgesetzt. All das gehörte auch zur Geschichte unseres eigenen Sonnensystems, in dem sich mit dem Asteroidengürtel im Bereich zwischen Mars und Jupiter bis heute eine ganze Zone solcher Ur-Klumpen und Kollisionsfragmente erhalten hat. Die Bahnen dieser Relikte im Asteroidengürtel haben sich nach rund 4,5 Milliarden Jahren weitgehend stabilisiert. Doch bis heute gibt es zahllose Querschläger, die auf reichlich exotischen Bahnen durch das Sonnensystem reisen – Kollisionsrisiko mit Planeten inbegriffen! 

1994 beobachteten Astronomen ein seltenes Naturspektakel auf dem Planeten mit dem roten Fleck: Der Komet Shoemaker-Levy 9, zuvor in zahlreiche Teile zerborsten, verschwand auf Nimmerwiedersehen in der dichten Atmosphäre des Jupiter. Dieses markante Ereignis im Verbund verbesserter Beobachtungsmethoden führte dazu, dass sich Astronomen für die Entdeckung solcher Kleinteile im Sonnensystem verstärkt zu interessieren begannen, verbunden mit der Frage der Wahrscheinlichkeit eines solchen Zusammenstoßes.

Auch der Erdbahn nähern sich Asteroiden immer wieder.  Sie gehören zu den Near-Earth Objects, kurz NEOs. Auch wenn sie lange Zeit für uns kaum zu beobachten waren, ist ihre Existenz schon lange bekannt  Vor über hundert Jahren wurde ein  Asteroid mit dem Namen Eros (Durchmesser: 34 × 11 × 11 km) entdeckt. Bald war klar, dass sein Weg durchs Sonnensystem die Erdbahn in einem Zyklus von rund vierzehn Monaten quert. Inzwischen kennen wir rund zwanzigtausend solcher Asteroiden und 107 Kometen. Alle diese NEOs bergen das Potenzial,  irgendwann einmal mit der Erde zu kollidieren.

Die Folgen eines Zusammenstoßes könnten enorm sein: Der Einschlag eines nur fünfhundert Meter messenden Asteroiden würde ganz Europa weitgehend zerstören und ein zehn Kilometer großes Objekt sogar das Ende der menschlichen Zivilisation bedeuten. Die größten Asteroiden bringen natürlich die größte Gefahr, doch da geben Experten  Entwarnung, da solch große Objekte weitestgehend bekannt sind.

Doch auch die kleinen Objekte haben es in sich – und die sich sehr häufig.  Der atmosphärelose Mond ist inzwischen ein interessantes Feld, um gerade die Häufigkeit der Existenz kleiner Objekte in Erdnähe über Einschläge indirekt abzuschätzen. Auch Beobachtungen im Projekt NEOLITA der ESA haben ergeben, dass dort stündlich mehrere Einschläge zu beobachten sind, die von NEOs  stammen, die eine Größe bis zu einigen Metern haben.  Auf der Grundlage solcher Beobachtungen geben Experten eine Vorstellung über die erwartete Häufigkeit bestimmter NEO-Größenklassen. Im Bereich von zehn bis dreißig Metern wird die Zahl erdnaher Asteroiden auf mehrere hundert Millionen geschätzt, bis hundert Meter immer noch auf mehrere Millionen, katalogisiert sind davon allerdings nur einige tausend. In der Kategorie bis einem Kilometer ist etwa ein Fünftel bekannt und selbst von Objekten, die größer als ein Kilometer sind, könnte es noch eine Dunkelziffer von zehn bis fünfzehn Prozent geben.

Gefahren drohen der Erde  also vor allem von den vielen bisher unbekannten NEOs. Selbst diese nur scheinbar winzigen Himmelskörper können erhebliche Zerstörungskraft entwickeln, denn sie rasen mit einer Relativgeschwindigkeit von durchschnittlich fünfzehn bis zwanzig Kilometern pro Sekunde auf die Erde zu. 2013 verursachte ein bis dato unbekanntes Objekt mit einem Durchmesser von etwa zwanzig Metern  erhebliche Schäden im Ural. Der inzwischen Tscheljabink benannte Asteroid explodierte kurz über der Erdoberfläche, nur Bruchteile stürzten auf den Boden. Aber durch die Schockwelle wurden 1.500 Menschen verletzt, vorwiegend durch zersprungenes Glas. Eine Staubwolke verteilte sich anschließend rund um den Globus.

Jetzt beginnen Astronomen damit, solche Mini-Brocken in Erdnähe systematisch zu erfassen. Die Zahl der NEOs steigt dadurch dramatisch. Allein 385 der derzeit bekannten NEOs der Größenklasse bis zu zwanzig Metern wurden in den ersten Monaten des Jahres 2019 aufgespürt.

Bei den NEOs handelt es sich vor allem um Asteroiden, doch einige der Kandidaten sind Kometen.  Nähern sie sich der Sonne, bilden sie dank ihres hohen Wasser- und CO2-Gehaltes einen  Schweif aus Gasen und Staub. Aber wir können diesen Schweif bei diesem Kometentyp kaum beobachten, weil er vom Sonnenlicht weitgehend überstrahlt wird. Solche der Sonne sehr nahe kommenden Kometen  nennen die Astronomen “Sonnenstreifer“. Die Sonnen-Sonde Soho kann sie dank eines an Bord befindlichen Koronographen für uns seit zwanzig Jahren sichtbar machen. Rund 3000 wurden seither entdeckt.

Für die Suche nach Asteroiden und deren Bewertung haben die Astronomen inzwischen nicht nur automatisierte Methoden entwickelt. Weltweit wurden auch schon Institutionen und definierte Prozesse geschaffen. Astronomen an zwei Observatorien in den USA suchen nach NEOs: im Observatorium auf dem Mount Lemmon in Arizona und auf dem Haleakala-Observatorium in Hawaii mit dem Pan-STARRS-Teleskop. Die Suche nach den kleinen Asteroiden – eine schwierige Aufgabe. Mit einem anvisierten Weltraumteleskop NEOCam könnte der Entdeckerwelt übrigens im nächsten Jahrzehnt ein ganz neues Werkzeug beigestellt werden.

Die Entdeckung von Asteroiden am Teleskop geht so: Innerhalb von zwanzig Minuten werden von einem großflächigen Himmelsausschnitt mehrere Bilder aufgenommen und automatisch ausgewertet. Die Software vergleicht die elektronischen Bilder und rechnet dann alle sich nicht bewegenden Objekte, also die Sterne, heraus. Übrig bleiben diejenigen Objekte, die sich durch das Bild bewegen, vor allem Asteroiden. Tim Spahr hat als erster ein derartiges Programm für die Analyse von NEOs geschrieben und damit die Grundlage dieser heutigen Beobachtungstechnik geschaffen. Spahr koordiniert inzwischen ein internationales, von den Vereinten Nationen mandatiertes Projekt. Das IAWN (International Asteroid Warning Network) der UN hat das Ziel, solche Objekte nicht nur zu entdecken und zu katalogisieren, sondern die Daten weltweit zugänglich zu machen. 

Das JPL beschäftigt im Center for Near-Earth Object Studies, kurz CNEOS, zahlreiche Spezialisten, die die Bahndaten von Asteroiden mit Gefährdungspotential möglichst genau ermitteln, Grundlage dafür, Vorhersagen über das Gefahrenpotenzial zu machen. Bei hohem Risiko  werden weitere Untersuchungen des Objektes initiiert. In Europa übernehmen diese Aufgabe vor allem Experten an der Universität von Pisa, deren Aktivitäten auch über die ESA finanziert werden. Die Berechnung des Einschlagrisikos schon bekannter NEOs ist keine leichte Aufgabe, vor allem dann, wenn nur alte Beobachtungsdaten vorliegen.  Das führte in den letzten Jahren immer wieder zu Korrekturen der Wahrscheinlichkeit des Einschlagsrisikos schon länger bekannter Objekte. 

Für exakte Bahnkalkulationen können selbst kleinste Effekte eine Rolle spielen – beispielsweise dieser: die Tatsache, dass viele Asteroiden  keine Kugeln sind.  Oder auch der sogenannte Jarkowski-Effekt. Wie die Erde werden die kleinen Asteroiden während ihres Tagzyklus vom Sonnenlicht beschienen und strahlen diese Wärme auf der „dunklen“ Seite wieder ab. Bei der Erde ist das nicht anders, aber hier spielt der Effekt aufgrund ihrer Größe keine Rolle für die Bahn. Bei den besonders  kleinen Asteroiden jedoch wirkt diese Strahlung wie ein kleines Photonentriebwerk. Über Jahrzehnte oder Jahrhunderte kann dieses Phänomen erhebliche Auswirkungen auf den tatsächlichen Bahnverlauf nehmen – und damit auch auf die Wahrscheinlichkeit eines Kollisionskurses mit der Erde. Der Effekt ist schon seit dem Jahr 1900 theoretisch bekannt. Aber erst  ein Jahrhundert später konnte er auch nachgewiesen werden: unter anderem an dem 1991 entdeckten Asteroiden Golevka, dessen Bahn er in nur zwölf Jahren um etwa fünfzehn Kilometer verschoben hat.

Mit der Sonde Osiris Rex wollen die Astrophysiker bei Bennu, einem weiteren dieser kleinen Querschläger im Sonnensystem, auch diesem Jarkowski-Effekt jetzt genauer auf die Spur kommen.

Die Entdeckung und Untersuchung der kleinsten Himmelskörper hat in den letzten zehn Jahren mächtigen Schub erhalten. Noch ist die Wissenschaft erst ganz am Anfang dieser Forschung.

Der Text ist eine Adaption des Sprechertextes meiner Sendung bei HYPERRAUM.TV. In der auch am Beginn dieses Blogtextes verlinkten Reportage sind zudem Rüdiger Jehn von der ESA, Alan Harris von der DLR sowie Tim Spahr, Leiter der International Asteroid Warning Group, mit Statements zu hören und zu sehen.