Comet Hale Bopp, gesehen vom Space Shuttle Columbia auf STS-83. (Bildnachweis: NASA)
Kometen – diese kleinen, eisigen Objekte, die die Sonne umkreisen – wirken wie schwebende Zeitkapseln, die einen Einblick in die Anfänge der Entstehung unseres Sonnensystems bieten und Hinweise auf die Entstehung des Lebens auf der Erde enthalten.
In einer aktuellen Studie haben Wissenschaftler ein bahnbrechendes Modell entwickelt, um nachzuvollziehen, wie sich die Chemie eines Kometen, bekannt als „Hale-Bopp“, im Laufe der Zeit entwickelt hat. Letztendlich hat dieses Unterfangen zu Erkenntnissen geführt, die unser Verständnis der Planetenentstehung als Ganzes verbessern könnten – und es könnte sogar Licht auf das Potenzial für Leben jenseits unseres Planeten geworfen haben.
„Es ist schwer, zwei Kometen zu finden, die sich völlig gleichen“, sagt Drew Christianson von der University of Virginia gegenüber kosmischeweiten.de. „Hale-Bopp ist ein Favorit der Kometenforscher, auch weil er einer der hellsten Kometen war, die man gesehen hat […] , er wurde sogar als der große Komet von 1997 bezeichnet. Folglich gibt es eine Fülle von Beobachtungen, mit denen wir die Ergebnisse unseres Modells vergleichen können.“
Hale-Bopp stammt aus der Oortschen Wolke, einer theoretischen Hülle aus eisigen Planetesimalen, die die Sonne in den äußeren Bereichen unseres Sonnensystems umgibt, und von der man annimmt, dass sie einige der primitivsten und am besten erhaltenen Überreste des ursprünglichen Nebels enthält, aus dem unser Sonnensystem entstanden ist.
„Die Oortsche Wolke ist so weit von der Sonne entfernt, wie man nur sein kann, und befindet sich dennoch im Sonnensystem“, sagt Christianson.
Aber irgendwann in ferner Vergangenheit wurde Hale-Bopp aus der Oortschen Wolke herausgeschleudert und begann seine Annäherung an die Sonne. Jetzt braucht er etwa 2.400 Jahre, um seinen Umlauf um unseren Stern zu vollenden. Mit anderen Worten: Wir haben jetzt ein Objekt relativ nahe bei uns, das nicht nur Informationen über die äußeren Bereiche unseres Sonnensystems enthält, sondern auch über die Anfänge unserer kosmischen Nachbarschaft.
Anhand von Beobachtungsdaten, die im Laufe der Jahre gesammelt wurden, haben Wissenschaftler Hale-Bopp untersucht – insbesondere seine chemische Zusammensetzung und wie er sich im Laufe der Zeit entwickelt haben könnte – um wertvolle Einblicke in den Zustand des alten Sonnensystems zu gewinnen. Diese Daten werden auch durch Computermodelle ergänzt, die uns helfen, die dynamischen Wechselwirkungen und Umwandlungen im Inneren des Kometen zu verstehen und zu simulieren, wie sich komplexe organische Moleküle im Laufe der Zeit gebildet, überlebt oder abgebaut haben könnten. Das Wissen über diese internen kometären Wechselwirkungen ist wichtig, weil es Aufschluss darüber gibt, welche Arten von Molekülen zu Beginn unseres Sonnensystems vorhanden gewesen sein könnten – und damit möglicherweise auch darüber, wie das Leben entstanden ist.
Allerdings sind solche Analysen bei der Untersuchung voll ausgebildeter Kometen wie Hale-Bopp eine Herausforderung und werden noch schwieriger, wenn sich der Komet der Sonne nähert, wo er sich erhitzt und Staub und Gase in eine riesige glühende „Koma“ spuckt.
Eine der wichtigsten Fragen, die sich die Forscher der neuen Studie stellen, betrifft die Unterscheidung zwischen den chemischen Spezies, die im Eis des Kometen entstehen (die „Eltern“-Spezies), und denjenigen, die durch energetische Prozesse in der Koma gebildet werden (die „Tochter“-Spezies).
Wissenschaftler haben Modelle der Gasphasenchemie entwickelt, um die in Kometenkometen ablaufenden Prozesse zu untersuchen, aber die aktuellen Versionen dieser Modelle konzentrieren sich nur auf aktive Kometen und berücksichtigen nicht die Chemie, die in eisigen Kometenkernen stattfindet. Infolgedessen können diese Modelle die gesamte Bandbreite der Bedingungen und Prozesse, die ein Komet während seiner gesamten Lebensdauer durchläuft, nicht angemessen erfassen.
„In der Vergangenheit gab es zahlreiche chemische Modelle des Gases und der Oberflächen um Kometen“, so Christianson. „Ebenso gab es Studien über die physikalischen Bedingungen des Kometeneises und -staubs selbst. Vor [unserem Modell] , MAGICKAL, gab es jedoch keine chemischen Modelle des Kometenkörpers, was es zum ersten seiner Art macht.“
Das neue Modell des Teams verfolgt die Umlaufbahn von Hale-Bopp, beginnend mit seiner Kältespeicherphase in der Oortschen Wolke, gefolgt von fünf Umläufen um die Sonne. Das Modell unterteilt den Kometenkörper in 25 verschiedene Eis- und Staubschichten, wobei die komplexe Chemie in verschiedenen Tiefen abläuft, so dass sie die tatsächliche Chemie des Kometen besser darstellen können.
„Wenn sich ein Komet bei seiner Annäherung an die Sonne erwärmt, wird er nicht gleichmäßig erhitzt“, so Christianson. „Die Außenseite wird zuerst wärmer, bevor sie tiefer in den Kometen eindringt. Auch die UV-Strahlen und die kosmische Strahlung reichen nur bis zu einer bestimmten Tiefe und wirken in jeder Tiefe anders.
Der Kern von Hale-Bopp, der aus gefrorenem Wasser, Gasen, Staub und Gesteinsmaterial besteht, enthält komplexe organische Moleküle wie Formamid, Methylformiat, Ethylenglykol, Methanol und Acetonitril – Substanzen, von denen Wissenschaftler vermuten, dass sie mit dem Ursprung des Lebens auf der Erde in Verbindung stehen könnten.
Interessanterweise deuten die Forschungsergebnisse darauf hin, dass die meisten der komplexen organischen Moleküle in Hale-Bopp wahrscheinlich von seinen ursprünglichen Ursprüngen geerbt wurden und nicht auf seiner derzeitigen Reise entstanden sind. „Kometen sind Ansammlungen von eisigen Staubkörnern, die bei der Entstehung von Sternen und Planeten entstehen“, so Christianson. „Während Staubkörner im interstellaren Medium allgegenwärtig sind, bilden sie in dichten Sternentstehungsgebieten eisige Hüllen aus dem Material des umgebenden Gases, während die Temperaturen noch niedrig sind.“
Wissenschaftler glauben, dass sich in diesen Eismassen komplexe organische Moleküle bilden.
„Die JWST-Beobachtungen beginnen auch diese Ansicht zu bestätigen, dass [diese Moleküle] in den kalten Eiskörnern vorhanden sind“, fügte Christianson hinzu. „Schließlich aggregieren diese Eiskörner und bilden immer größere Körper, die wir als Kometen kennen. Viele der komplexen organischen Moleküle in Kometen scheinen also einen interstellaren Ursprung zu haben.“
Bevor wir voreilige Schlüsse ziehen, warnt Christianson, dass Kometen als Quelle für organische Moleküle auf der Erde ein sehr umstrittenes Thema sind. „Wir wissen nicht mit Sicherheit, welchen Einfluss frühe Kometen auf die frühe Erde hatten, wenn überhaupt. Die Ergebnisse unseres Modells haben keinen großen Einfluss darauf, wie sich das Sonnensystem gebildet hat, aber sie deuten darauf hin, dass es in der Tat eine sehr komplexe Umgebung mit allen Arten von Chemikalien, ob organisch oder nicht, war. Aber organische Moleküle, die von Kometen auf die frühe Erde gelangten, könnten schon lange vor der Entstehung der Sonne entstanden sein. Das ist eine faszinierende Frage, die wir und andere weiter untersuchen werden.“
Er sagt, dass das Team plant, sein Modell weiter zu verfeinern, um reale Kometen genauer abzubilden, um verlässlichere Vorhersagen über neue Kometen und die Einblicke, die sie in die Evolutionsgeschichte bieten können, zu machen. Zu diesem Zweck bereiten sie derzeit eine Modellstudie des Kometen 67P vor – eines Kometen der Jupiterfamilie, der als erster Komet, der von einem Raumschiff von der Erde aus umkreist wurde und auf dem es landete, Geschichte schrieb.
„Was die Beobachtungen angeht, so haben wir noch nicht einmal einen Bruchteil von einem Prozent der Kometen im Sonnensystem beobachtet“, sagte Christianson. „Die meisten sind einfach unerreichbar. Wenn wir mehr Kometen beobachten und feststellen, dass sie weniger komplex sind, als wir ursprünglich dachten, dann könnte die Zusammensetzung vielleicht vollständig innerhalb des Sonnensystems entstanden sein. Oder, wenn wir mehr chemisch komplexe Kometen finden, würde das die Idee weiter verfestigen, dass komplexe Moleküle vor der Entstehung des Sonnensystems entstanden sein müssen.
„Nur die Zeit wird es zeigen.“
