Nano-Analyse von Kometenstaub - Entschlüsselung der Bausteine des Sonnensystems

Die Rosetta-Mission zählt zu den spannendsten Weltraummissionen unserer Zeit: Rosetta schrieb Geschichte als die Sonde im August 2014 den Kometen 67P/Churyumov- Gerasimenko nach 10 Jahren Flugphase erreichte und im November 2014 das Landegerät Philae auf der Kometenoberfläche absetzte. Rosetta und Philae haben bereits beeindruckende Bilder und wissenschaftliche Daten geliefert, obwohl die Mission gerade erst begonnen hat. Bis mindestens Ende 2015 wird Rosetta den Kometen auf seiner Bahn um die Sonne begleiten und das wissenschaftliche Verständnis von Kometen revolutionieren. An Bord des Rosetta Orbiters befindet sich das speziell entwickelte Instrument MIDAS, welches feinsten Kometenstaub einsammelt und mit einem Rasterkraftmikroskop untersucht. Eine Spitze tastet die Oberfläche der Staubteilchen ab und erzeugt 3D-Bilder mit einer Auflösung von einigen Nanometern was tausend mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haars ist! Da Kometen zu den ursprünglichsten Körpern des Sonnensystems gehören, bietet eine Nano-Analyse von Kometenstaub die Möglichkeit, fast unverändertes Material aus der Entstehungszeit unserer Sonne und der Planeten zu untersuchen und damit neue Erkenntnisse über die Entstehung unseres Sonnensystems zu gewinnen. Mit MIDAS 3D-Bildern können eine Reihe offener Fragen der Kometenforschung aus einer neuen Perspektive untersucht werden. Dieses Projekt wird MIDAS-Daten nutzen um Größe, Form, Zersplitterung und Porosität der kleinsten Bestandteile von Kometen zu bestimmen. Die Untersuchung ihrer Oberflächeneigenschaften mit höchster Auflösung ermöglicht die Bestimmung der Grundbausteine von Kometen. Mit dem magnetischen Betriebsmodus werden magnetische Materialien im Kometenstaub erforscht, was sogar Rückschlüsse auf die magnetischen Felder im frühen Sonnensystem ermöglichen könnte. Außerdem liefert MIDAS Daten über die Veränderungen des Staubs nach dem Verlassen des Kometen, wie etwa die Zersplitterung der kleinen Staubteilchen. Um die wissenschaftliche Kapazität des MIDAS-Instruments voll auszuschöpfen, werden in diesem Projekt neuartige Datenanalysetechniken entwickelt. Da die Rosetta-Mission zu Beginn der 3-jährigen Projektlaufzeit noch aktiv ist und der Antragssteller selbst Principal Investigator von MIDAS ist, besteht die Möglichkeit, speziell für das Projekt weitere Staubsammelkampagnen durchzuführen und zusätzliche Abbildungen von interessanten Teilchen aufzunehmen. Ein(e) Doktorand(in) wird im MIDAS- Team am Institut für Weltraumforschung in Graz (IWF) mitarbeiten und die Chance haben, zu dieser spannenden Weltraummission Entscheidendes beizutragen.

Wie ist unser Sonnensystem entstanden? Obwohl wir die Grundlagen bereits verstanden haben gilt es noch unzählige offene Fragen zu beantworten. Dieses Projekt beschäftigte sich damit wie die kleinsten Staubteilchen, die am Anfang unseres Sonnensystems als Staub- und Gasgemisch um die Sonne gekreist sind, zu immer größeren Objekten wachsen konnten und schließlich die uns heute bekannten Körper wie Kometen, Monde und Planeten geformt haben. Besonders interessant für dieses Projekt waren Kometen, da sie Material aus den früheren Zeiten quasi unberührt bis heute erhalten haben. Die ESA führte zwischen 2014 und 2016 die spannende Rosetta Kometenmission durch, bei der zum ersten Mal ein Komet auf seiner Bahn um die Sonne begleitet wurde. Komet 67P/Tschurjumov-Gerassimenko wurde umfassend erforscht, unter anderem durch MIDAS, ein speziell dafür entworfenes Rasterkraftmikroskop allerkleinste Kometenstaubteilchen zu untersuchen. Das Instrument wurde federführend am Institut für Weltraumforschung in Graz der Österreichischen Akademie der Wissenschaften gebaut und gesteuert. Es sammelte mikrometergroße Staubteilchen - das sind Teilchen die so klein sind, dass sie mit dem menschlichen Auge kaum noch sichtbar sind - und bildete sie in 3D ab. In diesem Projekt wurde erforscht, wie die Staubteilchen aufgebaut sind und wie ihre Struktur im frühen Sonnensystem entstanden ist. Ein erstes bemerkenswertes Ergebnis dieses Projektes war, dass alle Staubteilchen aus kleineren Teilchen, und diese wiederum aus kleineren Teilchen bestehen. Die hierarchische Struktur fängt bei den fundamentalen Bausteinen von etwa 100nm Größe an, was etwa der Größe von Viren entspricht. Über Analysen der Strukturen der Staubteilchen konnte nachvollzogen werden, wie sich die Grundbausteine im frühen Sonnensystem zu sehr porösen, langkettigen Teilchen zusammengefunden haben. Als diese porösen "Staubmäuse" etwa eine Größe von Zentimetern erreicht hatten fingen sie an sich gegenseitig anzustoßen. Diese Kollisionen führten zu kompakteren, etwa millimetergroßen Staubteilchen, die 'pebble' (zu Deutsch 'Kiesel') getauft wurden. Durch die Zusammenarbeit mit vielen Kometenforschern wissen wir nun, dass sich Kometen aus dem Reservoir aus kompaktierten und noch nicht (vollständig) kompaktierten porösen Teilchen gebildet haben. In MIDAS Daten konnten die fundamentalen Bausteine nachgewiesen werden, die porösen "Staubmäuse", sowie Bruchstücke der kompakteren Teilchen. Damit erlaubte dieses Projekt Staubteilchen aus dem frühen Sonnensystem aus verschiedenen Entwicklungsphasen zu untersuchen und ihre Entstehungsgeschichte nachzuvollziehen. Zusätzlich konnten viele interessante Eigenschaften der Staubteilchen untersucht werden, wie zum Beispiel die Festigkeit der Grundbausteine oder die an Kartoffeln erinnernden Formen der Staubteilchen. Die Ergebnisse dieses Projektes werden in Zukunft zur weiteren Erforschung von Kometen und der Entwicklung umfassenderer Entstehungstheorien unseres Sonnensystems beitragen