Kometen lassen sich aus der Ferne beobachten, fotografieren und spektroskopisch untersuchen. Doch ihre sichtbare Oberfläche erzählt nur einen Teil ihrer Geschichte. Das Material im Inneren eines Kometenkerns kann seit Milliarden Jahren weitgehend vor Sonnenlicht und Wärme geschützt sein und damit Spuren aus einer Zeit bewahren, in der sich das Sonnensystem gerade erst formte. Genau an dieses Material wollte die NASA-Mission Deep Impact gelangen. Statt lediglich über einen Kometen hinwegzufliegen, sollte sie dessen Oberfläche gewaltsam öffnen.

Am 4. Juli 2005 traf deshalb eine eigens dafür gebaute Sonde mit rund 37.000 Kilometern pro Stunde auf den Kometen 9P/Tempel 1. Die Kollision war kein Unfall, sondern der entscheidende Teil eines sorgfältig vorbereiteten wissenschaftlichen Experiments. Ein zweites Raumfahrzeug beobachtete aus sicherer Entfernung, was beim Einschlag geschah und welches Material aus dem Inneren ins All geschleudert wurde. Zum ersten Mal hatte eine Raumfahrtmission einen Kometen gezielt getroffen, um unter seine Oberfläche zu blicken.

Warum wollte die NASA einen Kometen beschießen?

Kometen gehören zu den ursprünglichsten Körpern des Sonnensystems. Sie entstanden aus Material, das vor etwa 4,6 Milliarden Jahren übrig blieb, als sich aus einer Scheibe aus Gas und Staub die Sonne, die Planeten und zahlreiche kleinere Himmelskörper bildeten. Während Gestein auf größeren Welten durch Vulkanismus, Einschläge, hohen Druck oder andere geologische Prozesse stark verändert wurde, können Kometen einen Teil dieses frühen Materials bewahrt haben.

Das Problem liegt an ihrer Oberfläche. Sobald ein Komet regelmäßig in die Nähe der Sonne gelangt, erwärmt sich seine äußere Schicht. Eis geht direkt in Gas über, Staub wird freigesetzt und Jets können Material ins All schleudern. Nach vielen Sonnenumläufen entspricht die Oberfläche daher nicht zwangsläufig dem ursprünglichen Inneren des Kometen.

Deep Impact sollte diese Barriere durchbrechen. Die Idee war ebenso einfach wie ungewöhnlich: Ein Projektil sollte einen künstlichen Krater erzeugen und Material freilegen, das zuvor unter der Oberfläche verborgen gewesen war. Instrumente auf dem vorbeifliegenden Mutterschiff sowie zahlreiche Teleskope auf der Erde und im Weltraum sollten anschließend untersuchen, woraus die herausgeschleuderten Teilchen bestanden.

Wie funktionierte die Mission Deep Impact?

Deep Impact startete am 12. Januar 2005. Die Raumsonde bestand aus zwei Teilen. Der größere Flyby-Teil trug Kameras und ein Spektrometer und sollte Tempel 1 passieren. Hinzu kam ein separater Impaktor, der auf Kollisionskurs mit dem Kometen gebracht wurde.

Nach einer Reise von rund 172 Tagen und etwa 431 Millionen zurückgelegten Kilometern erreichte die Mission ihr Zielgebiet. Am 3. Juli wurde der Impaktor vom Mutterschiff getrennt. Zu diesem Zeitpunkt lagen noch rund 880.000 Kilometer zwischen ihm und Tempel 1. Der kleine Flugkörper verfügte nur für seinen kurzen eigenständigen Einsatz über Batteriestrom und musste anschließend selbst dafür sorgen, dass er den Kometen tatsächlich traf.

Währenddessen änderte das Flyby-Raumschiff seinen Kurs. Es durfte dem Impaktor nicht bis zum Ende folgen, sondern musste Tempel 1 in ausreichend großem Abstand passieren. Seine Aufgabe bestand schließlich darin, die bevorstehende Kollision zu beobachten und möglichst viele wissenschaftliche Daten zu sammeln.

Selbst der Impaktor besaß eine Kamera. Während Tempel 1 immer größer in seinem Sichtfeld erschien, übermittelte er Aufnahmen an das Mutterschiff. Noch wenige Sekunden vor der Kollision erreichten Bilder des Kometenkerns die Sonde. Danach blieb nur noch der Einschlag.

Was geschah beim Einschlag auf Tempel 1?

Am 4. Juli 2005 traf der Impaktor Tempel 1. Die Relativgeschwindigkeit lag bei etwa 10,3 Kilometern pro Sekunde beziehungsweise rund 37.000 Kilometern pro Stunde. Die dabei freigesetzte Energie entsprach ungefähr 4,7 Tonnen TNT.

Zunächst erschien ein heller Lichtblitz. Danach schoss eine große Wolke aus Staub und anderem Material über die Oberfläche des Kometen. Rund 15 Minuten nach dem Einschlag zeigte Tempel 1 auf Aufnahmen des Hubble-Weltraumteleskops eine deutlich erhöhte Helligkeit. Neben Hubble beobachteten unter anderem das Spitzer-Weltraumteleskop, Rosetta und zahlreiche Observatorien auf der Erde das Ereignis.

Das Mutterschiff selbst raste wenige Minuten später in einer Entfernung von etwa 500 Kilometern am Kometenkern vorbei. Eigentlich sollte es dabei auch den frisch entstandenen Einschlagskrater fotografieren. Doch ausgerechnet der wissenschaftlich erwünschte Erfolg des Experiments machte dies zunächst unmöglich: Die Kollision hatte so viel feinen Staub freigesetzt, dass die Oberfläche an der Einschlagstelle verdeckt wurde.

Der Krater blieb deshalb vorerst weitgehend verborgen.

Was verriet die Staubwolke über den Kometen?

Bereits die Art, wie das Material beim Einschlag reagierte, lieferte Hinweise auf die Beschaffenheit von Tempel 1. Die Oberfläche erwies sich nicht als massive, kompakte Kruste. Untersuchungen deuteten vielmehr auf ein äußerst lockeres und poröses Material hin.

Besonders aufschlussreich war die Reaktion des Kometen unmittelbar beim Einschlag. Spätere Analysen und Vergleiche mit Modellen zeigten, dass die oberen Schichten an der Einschlagstelle sehr porös gewesen sein müssen. Die Vorstellung eines Kometen als festem Eisblock passte damit immer weniger zu den Beobachtungen.

Auch die Menge des freigesetzten Staubs überraschte die Forscher. Deep Impact schleuderte eine ausgedehnte Wolke aus sehr feinem Material ins All. Untersuchungen der Ejekta zeigten zudem, dass Tempel 1 keineswegs lediglich aus Wassereis mit etwas eingeschlossenem Schmutz bestand. Das Verhältnis von Staub zu Eis erwies sich als hoch. Vereinfacht gesagt ähnelte der Komet damit eher einem äußerst lockeren Gemisch aus Staub und Eis als einem großen schmutzigen Schneeball.

Fand Deep Impact Wasser und organisches Material?

Wasser gehörte zu den wichtigen Bestandteilen, die bei der Mission nachgewiesen und genauer untersucht wurden. Beobachtungen zeigten außerdem, dass verschiedene flüchtige Stoffe auf Tempel 1 nicht gleichmäßig verteilt waren. Wasserdampf und Kohlendioxid traten bevorzugt aus unterschiedlichen Regionen des Kometenkerns aus. Das deutete darauf hin, dass Tempel 1 sowohl strukturell als auch chemisch komplizierter aufgebaut war, als ein völlig gleichförmiger Körper erwarten ließe.

Auch kohlenstoffhaltige Verbindungen spielten eine wichtige Rolle. In dem durch den Einschlag freigesetzten Material wurden zahlreiche Bestandteile nachgewiesen, die Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung des Kometenkerns erlaubten. Dazu gehörten Minerale ebenso wie kohlenstoffhaltige Stoffe.

Solche Befunde sind für die Erforschung der frühen Erde interessant. Kometen und Asteroiden könnten während der Entstehungsphase der Planeten Wasser und organische Verbindungen auf junge Welten transportiert haben. Deep Impact bewies damit allerdings nicht, dass Kometen das Leben auf die Erde brachten. Die Mission zeigte vielmehr, dass Kometen Materialien enthalten, die für die chemische Entwicklung junger Planetensysteme von Bedeutung sein können.

Wie groß war der Krater von Deep Impact?

Unmittelbar nach der Kollision ließ sich diese scheinbar einfache Frage erstaunlicherweise nicht beantworten. Die dichte Staubwolke verdeckte den Einschlagsort, als das Mutterschiff vorbeiflog. Aus den Beobachtungen konnte zwar abgeschätzt werden, wie groß der Krater ungefähr sein müsste, eine direkte Aufnahme fehlte jedoch zunächst.

Die Gelegenheit dazu kam erst Jahre später.

Am 14. Februar 2011 flog die NASA-Sonde Stardust im Rahmen ihrer erweiterten Stardust-NExT-Mission an Tempel 1 vorbei. Der Komet hatte inzwischen erneut die Sonne umrundet. Stardust konnte Regionen fotografieren, die Deep Impact bereits vor dem Einschlag gesehen hatte, und so einen Vergleich ermöglichen.

Dabei wurde die Einschlagstelle tatsächlich erkannt. Der entstandene Krater hatte einen Durchmesser von ungefähr 150 Metern. Er war relativ flach und zeigte Strukturen, die darauf hindeuteten, dass ein Teil des ausgeworfenen Materials wieder zurück auf die Oberfläche gefallen war.

Damit erhielt das Experiment sechs Jahre nach der eigentlichen Kollision noch eine verspätete Bestätigung. Deep Impact hatte die Oberfläche nicht nur spektakulär aufgewühlt, sondern eine deutlich erkennbare Narbe auf Tempel 1 hinterlassen.

Wurde Tempel 1 durch den Einschlag gefährlich verändert?

Im Verhältnis zur Masse eines mehrere Kilometer großen Kometenkerns war der Impaktor winzig. Die Kollision reichte aus, um Material aus der Oberfläche herauszuschlagen, war aber nicht annähernd stark genug, Tempel 1 zu zerstören oder seine Bahn entscheidend zu verändern.

Auch eine andere Möglichkeit beschäftigte die Wissenschaftler. Ein künstlicher Krater hätte eine neue aktive Region öffnen können, aus der über längere Zeit Gas und Staub austraten. Eine starke dauerhafte Aktivitätssteigerung ließ sich jedoch nicht beobachten. Der Einschlag veränderte die Oberfläche lokal, machte aus Tempel 1 aber keinen grundsätzlich anderen Kometen.

Warum war Deep Impact wissenschaftlich so wichtig?

Der eigentliche Wert der Mission lag nicht im spektakulären Bild einer Kollision im Weltraum. Deep Impact war ein kontrolliertes Experiment an einem natürlichen Himmelskörper. Die Forscher kannten Masse, Geschwindigkeit und Material des Impaktors und konnten gleichzeitig beobachten, wie ein Komet auf einen solchen Einschlag reagierte.

Dadurch ließ sich wesentlich mehr aus der Staubwolke herauslesen als bei einem zufällig beobachteten natürlichen Ereignis. Die Ergebnisse zeigten einen Kometenkern mit hoher Porosität, sehr lockerem Oberflächenmaterial, Wassereis, kohlenstoffhaltigen Stoffen und einer komplexen Verteilung flüchtiger Bestandteile. Zugleich bestätigte die Mission, wie stark sich die Vorstellung von Kometen als einfachen, weitgehend homogenen Eisbrocken von ihrer tatsächlichen Struktur unterscheiden kann.

Die Grundidee, einen Himmelskörper gezielt zu treffen und aus seiner Reaktion wissenschaftliche Erkenntnisse zu gewinnen, blieb auch danach relevant. Während Deep Impact vor allem untersuchen sollte, woraus ein Komet besteht und wie er aufgebaut ist, nutzte die NASA 2022 bei der DART-Mission einen absichtlichen Einschlag für eine andere Fragestellung. Dort sollte gemessen werden, wie stark sich die Umlaufbahn eines kleinen Asteroidenmondes verändern lässt.

Deep Impact und DART verfolgten damit unterschiedliche Ziele, zeigten aber beide, welchen wissenschaftlichen Wert ein gezielt herbeigeführter Einschlag besitzen kann.

Was geschah nach Deep Impact mit der Raumsonde?

Mit Tempel 1 war die Geschichte der Sonde noch nicht beendet. Nachdem die Hauptmission erfolgreich abgeschlossen war, erhielt das Flyby-Raumschiff neue Aufgaben. Unter dem Namen EPOXI verband die verlängerte Mission Beobachtungen extrasolarer Planetensysteme mit einem weiteren Kometenvorbeiflug.

Am 4. November 2010 erreichte die Sonde den Kometen 103P/Hartley 2. Die Bilder zeigten einen auffällig geformten Kern und aktive Regionen, aus denen Gas und Partikel austraten. Damit war aus der ursprünglich für ein einziges großes Experiment gebauten Mission ein deutlich länger eingesetztes Forschungsprojekt geworden.

2013 ging der Kontakt zu Deep Impact schließlich verloren. Wiederholte Versuche, die Kommunikation wiederherzustellen, blieben erfolglos. Nach mehr als acht Jahren im All war die Mission beendet.

Ihr bekanntester Moment blieb dennoch jener 4. Juli 2005. Ein kleiner künstlicher Flugkörper traf einen mehrere Milliarden Jahre alten Kometen und erzeugte für Sekunden einen hellen Blitz. Entscheidend war jedoch nicht der Einschlag selbst, sondern das Material, das danach zum Vorschein kam. Deep Impact hatte einen Teil der äußeren Schichten von Tempel 1 entfernt und damit einen Blick auf Materie ermöglicht, die normalerweise verborgen geblieben wäre. Genau darin lag die Bedeutung der Mission: Um etwas über die Vergangenheit des Sonnensystems zu erfahren, beobachteten die Forscher einen Kometen diesmal nicht nur. Sie öffneten ihn.

Quellen
▪︎ NASA Science, Deep Impact und EPOXI
▪︎ NASA Jet Propulsion Laboratory, Deep Impact Mission
▪︎ NASA Jet Propulsion Laboratory, wissenschaftliche Ergebnisse der Deep-Impact-Mission
▪︎ NASA und Stardust-NExT Mission Team, Untersuchung der Einschlagstelle auf Tempel 1
▪︎ Nature, Untersuchungen zum Staub-Eis-Verhältnis von 9P/Tempel 1
▪︎ Hubble Space Telescope Mission Team, Beobachtungen des Deep-Impact-Einschlags