26. April 2019
Fachbeitrag der VIRTIS-Wissenschaftler in Nature Astronomy.

Ro­set­ta "Post-Missi­on": Neue Er­kennt­nis­se zu Tem­pe­ra­tur und Be­schaf­fen­heit der Ko­me­teno­ber­flä­che

Gemessene und modellierte Oberflächentemperaturen des Kometen 67P
Ge­mes­se­ne und mo­del­lier­te Ober­flä­chen­tem­pe­ra­tu­ren des Ko­me­ten 67P
Bild 1/4, Credit: VIRTIS-Team

Gemessene und modellierte Oberflächentemperaturen des Kometen 67P

a, Tem­pe­ra­tur­bild er­mit­telt aus den VIR­TIS-Da­ten vom 22. Au­gust 2014 aus ei­ner Ent­fer­nung von 60 km ober­halb der Ko­me­teno­ber­flä­che (räum­li­che Auf­lö­sung 15 m per Pi­xel). Die käl­tes­ten Tem­pe­ra­tu­ren wer­den in dunk­len Rottö­nen dar­ge­stellt, wäh­rend die wärms­ten Tem­pe­ra­tu­ren weiß­lich sind.

b, Er­geb­nis der ther­mo­phy­si­ka­li­schen Mo­del­lie­rung (sie­he Ori­gi­nal­ar­beit) für den glei­chen Zeit­raum der in a dar­ge­stell­ten VIR­TIS-Be­ob­ach­tun­gen. Die graue (schat­tier­te) Far­be be­zieht sich auf Punk­te mit mo­del­lier­ten Tem­pe­ra­tur­wer­ten klei­ner als -113 Grad Cel­si­us, für die we­der VIR­TIS-Da­ten noch das Mo­dell ge­naue Wer­te lie­fern kön­nen. An­de­re stö­ren­de graue Punk­te sind auf die Pro­jek­ti­on der Da­ten auf die Form zu­rück­zu­füh­ren.

c, Dif­fe­renz zwi­schen den Tem­pe­ra­tur­wer­te, die von VIR­TIS ge­mes­sen und in a dar­ge­stellt wer­den, und theo­re­ti­sche Tem­pe­ra­tur­wer­te, die in b mo­del­liert wer­den. In die­ser Prä­sen­ta­ti­on mar­kie­ren die blau­en und blau­grü­nen Far­ben Be­rei­che des Kerns, in de­nen die mo­del­lier­ten Tem­pe­ra­tur­wer­te deut­lich grö­ßer sind als die ge­mes­se­nen, wäh­rend die in­ver­se Re­la­ti­on durch die Far­ben von gelb nach rot an­ge­zeigt wird. Die grü­ne Far­be stellt ei­ne we­sent­li­che Über­ein­stim­mung zwi­schen be­ob­ach­te­ten und be­rech­ne­ten Da­ten dar.

d, Ver­tei­lung des Son­nen­ein­falls­win­kes: Win­kel­wer­te auf dem di­gi­ta­len Form­mo­dell, das zur Cha­rak­te­ri­sie­rung der ther­mi­schen Da­ten ver­wen­det wird. Es wird ei­ne Re­gen­bo­gen­pa­let­te ver­wen­det, so dass klei­ne Wer­te blau, große Wer­te rot sind.

e, Ver­tei­lung der Emis­si­ons­aus­falls­win­kel­wer­te auf dem di­gi­ta­len Form­mo­dell (glei­cher Farb­co­de wie d.

f, Ver­tei­lung der wah­ren lo­ka­len Son­nen­zeit-Wer­te auf dem di­gi­ta­len Form­mo­dell. Es wird ei­ne rot-gelb-blaue Pa­let­te ver­wen­det, so dass hel­le Tö­ne den Tag an­zei­gen, dunk­le die Nacht, röt­li­che Far­ben ent­spre­chen dem Vor­mit­tag und bläu­li­che Far­ben dem Nach­mit­tag.
Falschfarbendarstellung der Region Hapi auf P67
Falsch­far­ben­dar­stel­lung der Re­gi­on Ha­pi auf P67
Bild 2/4, Credit: ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

Falschfarbendarstellung der Region Hapi auf P67

Falsch­far­ben­dar­stel­lung der Re­gi­on Ha­pi auf Chu­ryu­mov-Ge­r­asi­men­ko, die den Kopf und den Kör­per des Ko­me­ten ver­bin­det. Hier­für wur­den die Un­ter­schie­de im Re­fle­xi­ons­ver­mö­gen ver­stärkt, um die bläu­li­che Fär­bung in die­ser Re­gi­on zu be­to­nen. Die Kennt­nis des Re­fle­xi­ons­ver­mö­gens bil­det ei­nen Schlüs­sel zur Be­stim­mung der Ober­flä­chen­zu­sam­men­set­zung. Die bläu­li­che Fär­bung deu­tet hier auf das Vor­kom­men von Was­se­reis an oder di­rekt un­ter der stau­bi­gen Ober­flä­che. Die Da­ten für die­se Dar­stel­lung wur­den am 21. Au­gust 2014 mit dem OSI­RIS-Ka­me­ra­sys­tem an Bord von Ro­set­ta aus ei­ner Ent­fer­nung von 70 Ki­lo­me­tern auf­ge­nom­men.
Komet 67P/Churyumov-Gerasimenko am 3. August 2014
Ko­met 67P/Chu­ryu­mov-Ge­r­asi­men­ko am 3. Au­gust 2014
Bild 3/4, Credit: ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA.

Komet 67P/Churyumov-Gerasimenko am 3. August 2014

Ko­met 67P/Chu­ryu­mov-Ge­r­asi­men­ko auf­ge­nom­men von Ro­set­tas OSI­RIS-Ka­me­ra am 3. Au­gust 2014 von 285 Ki­lo­me­ter Ent­fer­nung. Das Bild hat ei­ne Auf­lö­sung von 5,3 Me­ter/Pi­xel.
VIRTIS – Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer
VIR­TIS – Vi­si­ble and In­fra­red Ther­mal Ima­ging Spec­tro­me­ter
Bild 4/4, Credit: ESA – J. HUART.

VIRTIS – Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer

Mit dem Ex­pe­ri­ment VIR­TIS auf dem Ro­set­ta-Or­bi­ter wer­den in den Wel­len­län­gen des sicht­ba­ren Lichts und im na­hen In­fra­rot die Tem­pe­ra­tur, die che­mi­sche und mi­ne­ra­lo­gi­sche Zu­sam­men­set­zung so wie die räum­li­che Ver­tei­lung der ge­fun­de­nen Ele­men­te und Mo­le­kü­le des Ko­me­ten­kerns und der Ko­ma ge­mes­sen.
  • Auch Jahre nach dem Ende der Rosetta-Mission analysieren Wissenschaftler die Daten von Rosetta und gewinnen wichtige Erkenntnisse für die Kometenforschung und die Untersuchung des frühen Sonnensystems.
  • Schwerpunkt(e): Raumfahrt, Exploration

Zweieinhalb Jahre sind seit dem Ende der operativen Phase der Mission Rosetta im September 2016 vergangen. Die wissenschaftliche Auswertung der Unmengen an Daten der Instrumente auf der Raumsonde und dem Lander Philae dauert weiter an. Neue Erkenntnisse zur Oberflächentemperatur und thermischen Effekten der "Badeenten-Form" des Kometen P67/Churyumov-Gerasimenko veröffentlichte das Wissenschaftlerteam des Instruments VIRTIS am 22. April 2019 in Nature Astronomy. Die deutschen wissenschaftlichen Beiträge zu VIRTIS leitet das Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Das Visible InfraRed and Thermal Imaging Spectrometer (VIRTIS) nahm an Bord des Rosetta-Orbiters von August bis September 2014 Infrarotbilder des Kometen auf; etwa ein Jahr, bevor der Komet seinen sonnennächsten Punkt passierte, den sogenannten Perihel. Im betrachteten Zeitraum war der Komet noch weit von der Sonne entfernt und seine Aktivität war noch gering. Die Forscher überführten die Bilder in thermische Karten.

Die Temperatur ist der wichtigste Parameter zur Ableitung der für Kometen typischen Gas- und Staubaktivität. Zunächst hat das VIRTIS-Team die Durchschnittstemperatur des Kometenkerns auf seiner Tagesseite gemessen. Während die durchschnittliche Oberflächentemperatur in den zwei Monaten circa minus 60 Grad Celsius betrug, stießen die Wissenschaftler auch auf Stellen, die mit etwa minus 43 Grad Celsius deutlich wärmer waren. Dort war eine Grube, eine Absenkung der Oberfläche, in der die Innenwände die Wärmestrahlung reflektierten und so zu einer stärkeren Erwärmung führten, die als Selbsterwärmung bezeichnet wird.

Am "Hals der Ente", der die beiden Hauptteile des Kometen verbindet, wirkt die Selbsterwärmung ebenfalls. Dort waren die Temperaturen höher als es aus den Gesetzmäßigkeiten einer Schwarzkörperstrahlung folgen würde. Unter der Annahme einer staubdominierten Oberfläche mit wenigen Millimetern Dicke und bei minimaler Sublimation flüchtiger Stoffe ist die Selbsterwärmung auf die Oberflächenrauigkeit zurückzuführen. Am "Hals" wird die Selbsterwärmung durch die markante konkave Form verstärkt.

Eine weitere bedeutende Messung betrifft die thermische Belastung durch plötzliche Schatten, die während der täglichen Sonneneinstrahlung abwechselnd von den beiden Hauptteilen des Kometen auf dem "Hals" geworfen wurden. Diese lokalen Abschattungen am "Hals" erzeugten extreme Temperaturunterschiede innerhalb von nur wenigen Minuten, die das Zehnfache dessen betragen können, das normale tageszeitliche Variationen der Temperatur in andern Oberflächenbereichen erreichen. "Um saisonale Temperatureffekte auf den Kern besser zu untersuchen, haben wir uns auf eine Region namens Imhotep konzentriert, die relativ glatt und weit vom 'Hals' entfernt ist und wo der Effekt der Selbsterwärmung erheblich geringer ist", sagt Gabriele Arnold vom DLR-Institut für Planetenforschung. "Hier verglichen wir die Beobachtungen von VIRTIS mit denen von MIRO, einem weiteren Instrument an Bord des Rosetta-Orbiters. MIRO erlaubte es, die Temperatur in größeren Tiefen des Kometen zu messen. Die Beobachtungen beider Instrumente lassen sich unter der Annahme erklären, dass eine dünne, von losem Staub dominierte Oberflächenschicht in der Region Imohotep vorhanden ist."

Imhotep wurde auch Monate später beobachtet, als der Komet viel näher an der Sonne war. Die aus VIRTIS gewonnenen Temperaturwerte waren deutlich höher als davor, aber geringer als erwartet, wenn man von einer Oberflächenschicht nur aus losem Staub ausgeht. Dies lässt die Forscher darauf schließen, dass sich die Zusammensetzung in der obersten Schicht im Laufe der Zeit verändert haben muss. Die Menge an flüchtigen Bestandteilen in ihr muss zugenommen haben. Dies führte zu einem erhöhten Sublimationsgrad, und einer stärkeren Aktivität des Kometen. Die wiederum kann die Oberflächentemperaturen im Vergleich zu einer reinen Staubschicht senken.

Alle Beobachtungsnachweise deuten auf einen Kometenkern hin, der aus thermischer Sicht von Phänomenen dominiert wird, die mit der Morphologie und dem chemischen und physikalischen Zustand der obersten dünnen, nur wenige Zentimeter dicken Oberflächenschicht verbunden sind. Im Untergrund sollte der Kern im Wesentlichen noch unverändert und nur schwach von den vorherigen Annäherungen an die Sonne beeinflusst sein.

Gabriele Arnold resümiert: "Die jetzt publizierten Arbeiten zeigen, dass die kontinuierliche Auswertung der großen Menge gewonnener Daten selbst Jahre nach dem Ende der Rosetta-Mission einzigartige Ergebnisse für die Kometenforschung und die Untersuchung des frühen Sonnensystems liefert".

  • Kometenmission Rosetta

    Nach mehr als 20 Jahren, die Wissenschaftler und Ingenieure mit der Mission Rosetta beschäftigt waren, nach zehnjähriger Reise zum Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko und knapp 2 Jahren wissenschaftlicher Datenerfassung aus dem Orbit sowie von der Oberfläche durch den Lander Philae, wurde der operative Teil der Mission im September 2016 beendet und es hieß #GoodbyePhilae.

    Rosetta war die erste Raumfahrtmission, die einen Kometen auf seiner Reise um die Sonne eng begleitet hat. Unter den vielen Entdeckungen am Kometen 67P erzielte Rosetta auch direkte und wiederholte Messungen der Oberflächentemperatur eines Kometenkerns mit einer beispiellosen räumlichen Auflösung. Daraus können thermische Eigenschaften und Aktivitätsmuster des Kerns abgeleitet werden.

  • Über VIRTIS

    Das VIRTIS-Instrument an Bord des Rosetta-Orbiters nahm Infrarotbilder des Kometenkerns auf, die in thermische Karten umgewandelt wurden. So konnten im Spätsommer 2014, etwa ein Jahr vor der Perihelionpassage, Veränderungen der Kerntemperatur durchgehend über fast zwei Monate untersucht werden.

    VIRTIS (Visible InfraRed and Thermal Imaging Spectrometer) ist das visuell-infrarote Spektrometer an Bord der ESA-Sonde Rosetta. Es lieferte Informationen zur Zusammensetzung des Kometenkerns sowie über die Verteilung des Materials an der Oberfläche, der Gase und Moleküle in seiner Koma. VIRTIS wurde von einem Konsortium unter der wissenschaftlichen Leitung des Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali of INAF in Rom (Italien) gebaut, das auch den wissenschaftlichen Betrieb leitet. Zum Konsortium gehören das Laboratoire d’Études Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique of the Observatoire in Paris (Frankreich) und das Institut für Planetenforschung des DLR (Deutschland).

    Die Entwicklung des Instruments wurde gefördert und koordiniert durch die nationalen Raumfahrtagenturen: Agenzia Spaziale Italiana (ASI, Italien), Centre National d’Études Spatiales (CNES, Frankreich) und des DLR (Deutschland). Unterstützt wurde die Mission vom Rosetta Science Operations Centre und dem Rosetta Mission Operations Centre.
Kontakt
  • Philipp Burtscheidt
    On­line-Re­dak­ti­on
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)
    Po­li­tik­be­zie­hun­gen und Kom­mu­ni­ka­ti­on
    Telefon: +49 2203 601-2323
    Fax: +49 2203 601-3249
    Linder Höhe
    51147 Köln
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  • Dr. Gabriele Arnold
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)
    In­sti­tut für Pla­ne­ten­for­schung
    Telefon: +49 30 67055-370
    Rutherfordstraße 2
    12489 Berlin
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  • Dr. Ekkehard Kührt
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)
    In­sti­tut für Pla­ne­ten­for­schung
    Telefon: +49 30 67055-514
    Fax: +49 30 67055-340
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