NASA-Sonde enthüllt taumelnden, erdnussförmigen Asteroiden

Die Raumsonde Lucy, die 2021 startete und durch den Asteroidengürtel in Richtung einer der beiden Gruppen der Jupiter-Trojaner-Asteroiden fliegt, sammelte am 20. April 2025 Bilder und viele weitere Daten über Donaldjohanson, als sie in einer Entfernung von etwas mehr als tausend Kilometern an dem Asteroiden vorbeiflog. Die Daten zeigten, dass Donaldjohanson (fortan mit den Buchstaben DJ abgekürzt) sich nicht wie die meisten anderen Asteroiden und Planeten nur um eine fest im Raum stehende Hauptachse dreht, sondern scheinbar zusätzlich um eine weitere Achse, die einen komplizierten Kreis im Raum beschreibt – eine zweiachsige Rotation. Die Forschenden sahen auch die langgestreckte Form eines Binärkörpers bei DJ und die Krater und Erhebungen auf seiner Oberfläche. Die Ergebnisse der rund ein Jahr dauernden Untersuchungen des Lucy-Teams werden heute in einer Publikation im Fachmagazin Science veröffentlicht, an der auch die Forscher Dr. Stefano Mottola und Frank Preusker vom DLR-Institut für Weltraumforschung mit ihren Berechnungen der Rotationsparameter, des dreidimensionalen digitalen Formmodells und des Gravitationsfeldes beitrugen.

Bereits mit erdgebundenen Teleskopen sahen die Beobachtenden Schwankungen im Sonnenlicht, das DJ reflektiert, die auf ein Taumeln hindeuteten. Das Team stellte ein regelmäßiges Muster von Spitzen und Tälern im Helligkeitsverlauf fest, das typisch für ein längliches Objekt ist, und das sich, so wurde angenommen, alle 10,5 Erdtage einmal um sich selbst dreht. Erst mit den Lichtkurven und vor allem den Bilddaten von Lucy wurde es jedoch möglich, die Rotation quantitativ zu verstehen und zu modellieren.

Als sie sich die aus der Nähe gemessenen Helligkeitsveränderungen und die sich mit der Rotation verändernde Lage von DJ im Raum genauer ansahen, entdeckten sie ein ungewöhnliches Muster, das darauf hindeutet, dass sich DJ scheinbar wie ein wackelnder, „präzedierender“ Kreisel um zwei Achsen dreht, was zu einem leichten Schwanken führt. DJ scheint also eher zu taumeln, anstatt sich wie die meisten Himmelskörper stabil um ihre Rotationsachse zu drehen. Diese Achse steht bei DJ jedoch nicht fest im Raum, sondern präzediert, das heißt, sie beschreibt im Raum eine komplexe Bahn.

Während die Beobachtungen des erdgebundenen Teleskops die längliche Form von DJ andeuteten, zeigte der Lucy-Vorbeiflug eine „bilobate“ Struktur: zwei Einzelkörper, zwei „Loben“, die durch einen engen Hals verbunden sind, wie bei einer Erdnuss. Bei diesen Loben handelt es sich wahrscheinlich um zwei Fragmente einer früheren Asteroidenkollision, die sich anschließend durch ihre gegenseitige Schwerkraft angenähert haben und dann durch die Gravitationskräfte sanft zusammengefügt wurden.

DJ rotierte bei seiner Entstehung wahrscheinlich mindestens zehnmal schneller und hat sich in den letzten 20 bis 60 Millionen Jahren auf seine heutige Geschwindigkeit verlangsamt, schätzt das Team. Als sich die Rotation abbremste, veränderte sich das Gleichgewicht zwischen der Zentrifugalkraft, die die Einzelkörper auseinanderdriften lässt, und der Schwerkraft, die die Massen beider Loben aneinander bindet. Dabei rutschte loses Gesteinsmaterial die Hänge hinunter und ist ursächlich für das heutige Antlitz der Oberfläche mit vielen Kratern, wie die Bilder des Vorbeiflugs zeigen.

Die Forschenden vermuten, dass die Rotation des Asteroiden durch den sogenannten YORP-Effekt (benannt nach den Wissenschaftlern Yarkovsky, O’Keefe, Radzievskii und Paddack) beeinflusst wird. Dabei übt die von der Sonne erwärmte und wieder abgestrahlte Energie über sehr lange Zeiträume winzige Kräfte auf den Himmelskörper aus. Diese können seine Rotation allmählich beschleunigen oder abbremsen wie im Fall von Bennu (einmal alle vier Stunden) und Ryugu (einmal alle sieben Stunden), die sich beide früher wahrscheinlich viel langsamer drehten als heute.

Hinweise auf flüchtiges Wasser

Als Lucy mit fast 50.000 Kilometern pro Stunde an DJ vorbeiflog, registrierte die Sonde mit ihren spektroskopischen Sensoren Signaturen von eisenhaltigen Schichtsilikaten auf der Oberfläche: Tonminerale, wie sie auch auf der Erde bekannt sind. Diese Tonminerale müssen sich in der fernen Vergangenheit mit Hilfe von flüssigem Wasser gebildet haben, wenn eisenhaltige Minerale in Kontakt mit Wassermolekülen kommen. Das Lucy-Wissenschaftsteam kam allerdings zu dem Schluss, dass die Einwirkung nur relativ kurz gewesen sein muss, da Eisen in Tonmineralien dazu neigt, durch andere Elemente wie Magnesium ersetzt zu werden, wenn das Wasser über längere Zeiträume anwesend ist – was hier nicht der Fall ist.

In der Tat fand man auch auf den Asteroiden Bennu und Ryugu magnesiumreiche Tone, was dort auf eine längere Wassereinwirkung hindeutet, die vielleicht viele Millionen von Jahren andauerte, als sie noch Teil größerer Asteroiden waren. Dieser Unterschied in der Geschichte der Wassereinwirkung und andere Merkmale könnten bedeuten, dass die Mutterkörper dieser drei Asteroiden zu unterschiedlichen Zeiten oder in unterschiedlichen Regionen des Sonnensystems entstanden sind, bevor sie in den Hauptgürtel verschoben wurden.

Donaldjohanson ist deutlich jünger als andere untersuchte Asteroiden

DJ besteht vermutlich aus felsigen Überresten eines größeren, kohlenstoff- und wasserreichen Asteroiden, der mit einem anderen Objekt im Asteroidengürtel kollidierte. Er gehört zur Klasse der kohlenstoffreichen C-Asteroiden und ist vermutlich ein Mitglied der sogenannten Erigone-Familie, dessen 60 Kilometer großer Mutterkörper (163) Erigone vor 155 Millionen Jahren durch einen Impakt auseinanderbrach. Es wird angenommen, dass Bennu und Ryugu auf die gleiche Weise und in der gleichen Region entstanden sind.

Aber DJ ist doch anders. Mit einem Alter von 155 Millionen Jahren ist er viel jünger als Bennu und Ryugu, die vor 1 bis 2 Milliarden Jahren entstanden sind. DJ ist außerdem seit seiner Entstehung im Asteroidengürtel geblieben, während seine wandernden Vettern in Bahnen um die Sonne gelangt sind, die sie, nun als erdbahnkreuzende Asteroiden oder „Near-Earth Objects“ (NEOs), etwa einmal im Jahr in die Nähe der Erdumlaufbahn bringen (was sie zu perfekten Zielen für Probenrückführungsmissionen macht).

„Es ist für die Asteroidenforschung enorm hilfreich, Donaldjohanson mit Asteroiden wie Bennu und Ryugu zu vergleichen, die scheinbar ähnlich sind, denn jeder feine Unterschied ist ein weiterer Hinweis auf unsere eigene Entstehungsgeschichte“, sagte Simone Marchi, stellvertretender Leiter des Lucy-Wissenschaftsteams und Hauptautor der SCIENCE-Studie vom Southwest Research Institute in Boulder, Colorado (USA). „Sobald wir mehr über die ‚Trojaner‘-Asteroiden auf der Jupiterbahn erfahren, unserem eigentlichen wissenschaftlichen Zeil mit Lucy, die eine völlig andere Population von Weltraumgestein mit einer ganz anderen Geschichte darstellt, wird unser Verständnis der Entstehung des Sonnensystems in Frage gestellt werden“, so Marchi.

Benannt nach einem versteinerten Skelett eines menschlichen Vorfahren, das 1974 in Äthiopien von Donald Johanson und seiner Expedition entdeckt wurde (und nach dem der im April 2025 besuchte, 1981 am Siding-Spring-Observatorium in Australien entdeckte Asteroid benannt ist), wird die NASA-Mission Lucy zum ersten Mal die Trojaner-Asteroiden des Jupiters erforschen. Dabei handelt es sich um eine Population gut erhaltener Gesteinskörper, die sich früh in der Geschichte unseres Sonnensystems gebildet haben und den Wissenschaftlern dabei helfen könnten, zu verstehen, wie sich die Planeten gebildet und bewegt haben, bevor sie zu ihrer heutigen Konfiguration gelangten.

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