Am 6. Dezember 2020 lag in der Wüste Südaustraliens eine kleine Rückkehrkapsel, deren Inhalt kaum mehr als fünf Gramm wog. Wissenschaftlich jedoch war das Material von außergewöhnlichem Wert. Es stammte nicht von der Erde und auch nicht von einem Meteoriten, der zufällig durch die Atmosphäre gefallen war. Die japanische Raumsonde Hayabusa2 hatte die Körner direkt auf dem Asteroiden Ryugu eingesammelt, sicher verstaut und über Hunderte Millionen Kilometer zurückgebracht.

Damit gelang erstmals die Rückführung von Material eines kohlenstoffreichen Asteroiden zur Erde. Besonders wertvoll war, dass Hayabusa2 nicht nur lockeres Oberflächenmaterial sammelte. Die Mission erzeugte auf Ryugu sogar einen künstlichen Krater und nahm anschließend Material aus einer Region auf, die zuvor unter der Oberfläche gelegen hatte. Heute geben diese winzigen schwarzen Körner Einblicke in Wasser, organische Moleküle und chemische Prozesse aus der Frühzeit des Sonnensystems.

Was ist der Asteroid Ryugu?

Ryugu ist ein erdnaher Asteroid vom kohlenstoffreichen C-Typ. Sein Durchmesser liegt bei ungefähr 900 Metern. Als Hayabusa2 den Asteroiden im Juni 2018 erreichte, zeigte sich ein ungewöhnlich kantiger Körper, dessen Form entfernt an einen Kreisel oder Diamanten erinnert. Seine Oberfläche ist von Felsblöcken übersät und erwies sich für eine Probenentnahme als schwieriger als ursprünglich erwartet.

Die Messungen der Raumsonde zeigten außerdem, dass Ryugu kein kompakter Felsbrocken ist. Er gehört zu den sogenannten Rubble-Pile-Asteroiden: Körpern, die im Wesentlichen aus locker zusammengehaltenen Bruchstücken bestehen. Wahrscheinlich entstand Ryugu aus Trümmern eines wesentlich größeren Mutterkörpers, der bei einer gewaltigen Kollision zerstört wurde. Die Fragmente sammelten sich anschließend unter ihrer eigenen schwachen Schwerkraft erneut.

Gerade dieser ursprüngliche Charakter machte Ryugu für die Forschung interessant. Solche kohlenstoffreichen Körper können Material bewahrt haben, das sich seit den ersten Entwicklungsphasen des Sonnensystems vor mehr als 4,5 Milliarden Jahren nur vergleichsweise wenig verändert hat.

Wie kam Hayabusa2 zum Asteroiden Ryugu?

Hayabusa2 startete am 3. Dezember 2014 vom japanischen Weltraumbahnhof Tanegashima. Nach einem Vorbeiflug an der Erde und mehreren Jahren im interplanetaren Raum erreichte die Sonde Ryugu am 27. Juni 2018.

Anders als eine klassische Landemission sollte Hayabusa2 nicht dauerhaft auf dem Asteroiden stehen. Die Sonde bewegte sich über viele Monate in dessen unmittelbarer Umgebung, kartierte die Oberfläche, untersuchte Temperaturen und Mineralogie und suchte nach geeigneten Stellen für die Probenentnahme. Zusätzlich setzte sie die kleinen MINERVA-II-Rover sowie den deutsch-französischen Lander MASCOT aus.

Die schwierigste Aufgabe stand jedoch noch bevor. Hayabusa2 musste sich der mit Felsbrocken bedeckten Oberfläche so weit nähern, dass ein Probennehmer den Boden berühren konnte – ohne dass die gesamte Sonde dabei gegen Ryugu stieß.

Wie nahm Hayabusa2 die erste Probe von Ryugu?

Am 22. Februar 2019 führte Hayabusa2 ihre erste erfolgreiche Probenentnahme durch. Dazu senkte sich die Raumsonde kontrolliert bis auf die Oberfläche ab. An ihrer Unterseite befand sich ein röhrenförmiger Probensammler, dessen Öffnung Ryugu berührte.

Im entscheidenden Moment wurde ein kleines Projektil in den Boden geschossen. Der Einschlag schleuderte Staub, kleine Steinfragmente und andere Partikel nach oben. Ein Teil dieses Materials gelangte durch das Sammelrohr in einen abgeschlossenen Probenbehälter innerhalb der Sonde.

Das Verfahren hatte einen entscheidenden Vorteil: Hayabusa2 musste weder bohren noch über längere Zeit fest auf Ryugu stehen. Wegen der extrem schwachen Schwerkraft wäre eine herkömmliche Bohrung technisch schwierig gewesen. Nach dem kurzen Bodenkontakt stieg die Sonde sofort wieder auf sichere Entfernung.

Die erste Probe bestand damit hauptsächlich aus Material, das unmittelbar an der Oberfläche des Asteroiden gelegen hatte und über lange Zeit dem Sonnenwind, kosmischer Strahlung und starken Temperaturschwankungen ausgesetzt gewesen war.

Warum sprengte Hayabusa2 einen Krater in Ryugu?

Für die zweite Probenentnahme verfolgte die Mission einen außergewöhnlicheren Plan. Die Forscher wollten Material untersuchen, das möglichst wenig von der Weltraumumgebung verändert worden war. Dafür musste eine zuvor bedeckte Schicht des Asteroiden freigelegt werden.

Am 5. April 2019 setzte Hayabusa2 den sogenannten Small Carry-on Impactor aus. Das Gerät erzeugte durch eine explosive Ladung ein schnell fliegendes Kupferprojektil, das auf Ryugu einschlug. Die Raumsonde selbst entfernte sich zuvor und suchte Schutz auf der abgewandten Seite des Asteroiden, damit sie nicht von herumfliegenden Trümmern getroffen wurde.

Der Einschlag erzeugte einen künstlichen Krater mit einem Durchmesser von mehr als zehn Metern. Dadurch wurde Material aus tieferen Schichten ausgeworfen und in der Umgebung des Kraters verteilt.

Das Experiment lieferte zugleich Informationen über die mechanischen Eigenschaften Ryugus. Die Entstehung des überraschend großen Kraters bestätigte, dass der Asteroid aus relativ lockerem und schwach zusammengehaltenem Material besteht.

Wie sammelte Hayabusa2 Material aus dem Inneren Ryugus?

Am 11. Juli 2019 wagte Hayabusa2 die zweite Landung. Die Sonde setzte in der Nähe des künstlich erzeugten Kraters auf und verwendete erneut ihr Projektil- und Sammelsystem.

Die Wissenschaftler gingen davon aus, dass sich an diesem Ort auch Material befand, das durch den Einschlag aus dem Untergrund herausgeschleudert worden war. Die zweite Probe sollte deshalb eine Möglichkeit bieten, oberflächennahe und weniger stark verwitterte Bestandteile miteinander zu vergleichen.

Damit hatte Hayabusa2 etwas erreicht, was zuvor bei keinem Asteroiden gelungen war: Eine Raumsonde hatte einen künstlichen Krater geschaffen und anschließend gezielt Material aus dessen Umfeld eingesammelt.

Nach Abschluss ihrer Untersuchungen verließ Hayabusa2 Ryugu im November 2019. Nun begann der lange Rückflug zur Erde.

Wie gelangten die Asteroidenproben zurück zur Erde?

Hayabusa2 selbst landete nicht auf der Erde. Stattdessen führte die Sonde die versiegelten Proben in einer speziellen Rückkehrkapsel mit sich.

Als Hayabusa2 die Erde im Dezember 2020 erreichte, wurde diese Kapsel von der Raumsonde abgetrennt. Sie trat mit hoher Geschwindigkeit in die Erdatmosphäre ein. Ein Hitzeschild schützte den Probenbehälter vor den enormen Temperaturen während des Wiedereintritts. Anschließend öffnete sich ein Fallschirm, und die Kapsel sank in das zuvor festgelegte Landegebiet in der Woomera-Wüste im australischen Bundesstaat South Australia.

Am 6. Dezember wurde sie geborgen. Hayabusa2 selbst flog dagegen an der Erde vorbei und setzte ihre Reise durch das Sonnensystem fort.

Besonders wichtig war, dass der Probenbehälter möglichst geschlossen und sauber blieb. Bei gewöhnlichen Meteoriten ist oft schwer zu bestimmen, ob bestimmte Stoffe bereits im Weltraum vorhanden waren oder erst nach der Landung durch die Erdatmosphäre, Wasser, Mikroorganismen oder andere irdische Einflüsse hineingelangten. Bei den Ryugu-Proben konnte diese Kontamination wesentlich besser kontrolliert werden.

Wie viel Material brachte Hayabusa2 zur Erde?

Die Mindestanforderung der Mission lag bei lediglich 0,1 Gramm Asteroidenmaterial. Tatsächlich befanden sich rund 5,4 Gramm in der Kapsel – mehr als fünfzigmal so viel wie für den Missionserfolg verlangt worden war.

Auf den ersten Blick erscheint selbst diese Menge winzig. Für moderne Laborverfahren reichen jedoch häufig Bruchteile eines Gramms oder einzelne millimetergroße Körner aus. Die Proben wurden deshalb nicht einfach vollständig untersucht und dabei verbraucht. Ein Teil wird langfristig aufbewahrt, während ausgewählte Körner an Forschungsgruppen in verschiedenen Ländern verteilt werden.

Dadurch können auch zukünftige Analyseverfahren auf Material zurückgreifen, das unmittelbar von Ryugu stammt.

Was entdeckten Forscher in den Proben von Ryugu?

Die Analysen bestätigten, dass Ryugu zu den ursprünglichsten bekannten Materialien des Sonnensystems gehört. Seine Zusammensetzung ähnelt stark den seltenen CI-Chondriten, einer besonders ursprünglichen Klasse kohlenstoffreicher Meteoriten.

Die Proben enthalten zahlreiche wasserhaltige Minerale. Das bedeutet jedoch nicht, dass auf dem heutigen Ryugu flüssiges Wasser existiert. Der Asteroid ist dafür viel zu klein. Die Mineralien müssen entstanden sein, als sein Material noch Bestandteil eines größeren Mutterkörpers war, in dessen Innerem Wasser mit Gestein reagieren konnte.

Bemerkenswert ist außerdem, dass die Ryugu-Proben keine Hinweise auf starke Erwärmung über ungefähr 100 Grad Celsius zeigen. Flüchtige Stoffe und ursprüngliche chemische Bestandteile konnten deshalb vergleichsweise gut erhalten bleiben.

Untersuchungen fanden sogar mikroskopisch kleine Flüssigkeitseinschlüsse mit Wasser und Kohlendioxid. Solche Befunde stützen die Vorstellung, dass das Ausgangsmaterial von Ryugu ursprünglich in einer kalten Region des frühen Sonnensystems entstanden sein könnte.

Welche organischen Moleküle wurden auf Ryugu gefunden?

Besonders großes Interesse gilt den organischen Stoffen in den Proben. Forscher identifizierten eine Vielzahl kohlenstoffhaltiger Verbindungen, darunter Aminosäuren, Carbonsäuren, Amine und verschiedene komplexere organische Moleküle.

2023 wurde zudem Uracil nachgewiesen. Uracil gehört zu den Nukleobasen der RNA. Weitere Untersuchungen verbesserten anschließend die Nachweisverfahren. 2026 berichteten Forscher schließlich über den Nachweis aller fünf kanonischen Nukleobasen Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin und Uracil in Ryugu-Material.

Das bedeutet nicht, dass auf Ryugu Leben existierte. Die chemische Zusammensetzung und Verteilung der gefundenen Stoffe spricht vielmehr für eine nichtbiologische Entstehung. Wissenschaftlich bedeutsam ist etwas anderes: Grundlegende organische Moleküle, die auf der Erde eine zentrale Rolle in der Biochemie spielen, können offenbar bereits in primitiven Asteroiden entstehen oder dort über sehr lange Zeiträume erhalten bleiben.

Damit liefert Ryugu ein konkretes Beispiel dafür, wie Asteroiden während der Frühgeschichte der Erde organisches Material auf unseren Planeten gebracht haben könnten.

Brachten Asteroiden Wasser und organische Stoffe auf die junge Erde?

Hayabusa2 kann diese große Frage nicht allein beantworten. Die Mission liefert jedoch wichtige Hinweise.

Ryugu enthält sowohl wasserhaltige Mineralien als auch zahlreiche organische Verbindungen. Sein Material zeigt, dass primitive Asteroiden beides gleichzeitig transportieren können. In der Frühzeit des Sonnensystems schlugen sehr viele kleinere Körper auf die wachsenden Planeten ein. Asteroiden vom Typ Ryugu könnten dadurch Wasser und organische Ausgangsstoffe auf die junge Erde gebracht haben.

Wie groß ihr tatsächlicher Anteil an den irdischen Ozeanen oder an der präbiotischen Chemie war, ist weiterhin Gegenstand der Forschung. Die Proben beweisen auch nicht, dass solche Moleküle zwangsläufig zur Entstehung von Leben führen. Sie zeigen jedoch, dass einige dafür benötigte chemische Ausgangsstoffe nicht erst auf einem Planeten entstehen müssen.

Warum sind die Ryugu-Proben wissenschaftlich so wertvoll?

Meteoriten haben Wissenschaftlern seit Jahrhunderten Material aus dem Sonnensystem geliefert. Doch jeder Meteorit muss zunächst den Eintritt durch die Erdatmosphäre überstehen und liegt anschließend mehr oder weniger lange auf unserem Planeten. Dadurch entsteht eine Auswahlverzerrung: Zerbrechliches und sehr lockeres Asteroidenmaterial erreicht die Erdoberfläche möglicherweise wesentlich seltener als widerstandsfähiges Gestein.

Ryugu zeigt, wie wichtig dieser Unterschied sein kann. Obwohl C-Typ-Asteroiden im Sonnensystem häufig sind, gehören die ihnen chemisch ähnlichen CI-Chondrite zu den seltensten Meteoritenfunden auf der Erde. Ein möglicher Grund ist, dass derart fragiles Material den Atmosphäreneintritt schlecht übersteht.

Eine Raumsonde umgeht dieses Problem. Sie kann Material direkt am Ursprungsort aufnehmen und geschützt in ein Labor bringen. Dadurch verbindet Hayabusa2 astronomische Beobachtungen eines Asteroiden erstmals besonders präzise mit der chemischen und mineralogischen Untersuchung genau desselben Körpers.

Fünf Gramm schwarzer Staub erwiesen sich deshalb als wissenschaftliche Schatzkammer. Hayabusa2 brachte nicht einfach einige Steinchen von einem Asteroiden zurück. Die Mission lieferte Material, das erzählt, wie Wasser, Mineralien und organische Moleküle miteinander wechselwirkten, lange bevor die Erde ihre heutige Gestalt hatte.

Mehr zum Thema Rover, Lander und Raumsonden

• Rover, Lander und Raumsonden – Wie erkunden wir fremde Welten?
• Perseverance – Was macht der Mars-Rover heute?
• Curiosity – Ist der Mars-Rover noch aktiv und was macht er heute?
• Perseverance und Curiosity – Was ist der Unterschied zwischen den Mars-Rovern?
• Voyager 1 – Wo ist die Raumsonde heute?
• Voyager 2 – Wo ist die Raumsonde heute?
• New Horizons – Wo ist die Pluto-Sonde heute?
• Opportunity – Was geschah mit dem Mars-Rover?
• Juno – Was macht die Raumsonde am Jupiter?
• Cassini – Was entdeckte die Raumsonde am Saturn?
• Huygens – Was entdeckte der Lander auf Titan?
• Europa Clipper – Wann erreicht die Raumsonde den Jupitermond Europa?
• JUICE – Wann erreicht die Raumsonde Jupiter und seine Monde?
• Rosetta – Was entdeckte die Raumsonde am Kometen 67P?
• Philae – Was geschah mit dem Lander auf dem Kometen?
• Rosetta und Philae – Was entdeckten die Raumsonden auf dem Kometen 67P?
• OSIRIS-REx – Was fanden Forscher in den Proben des Asteroiden Bennu?
• Galileo – Was entdeckte die Raumsonde bei Jupiter und seinen Monden?
• Parker Solar Probe – Wie nah kommt die Raumsonde der Sonne?
• Venera 13 – Die Raumsonde, die Bilder von der Oberfläche der Venus sendete
• MESSENGER – Was entdeckte die Raumsonde auf dem Merkur?
• Magellan – Wie kartierte die Raumsonde die Venus durch ihre Wolken?
• Yutu-2 – Chinas Rover auf der Rückseite des Mondes

Quellen
▪︎ Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) – Hayabusa2 Mission und Rückführung der Ryugu-Proben
▪︎ Institute of Space and Astronautical Science (ISAS/JAXA) – Hayabusa2 Curation und wissenschaftliche Auswertung der Ryugu-Proben
▪︎ Tachibana et al., Science – Proben und Oberflächenmaterial von den beiden Landestellen auf Ryugu
▪︎ Arakawa et al., Science – Künstlicher Einschlag und Kraterbildung auf Ryugu
▪︎ Yada et al., Nature Astronomy – Erste Untersuchung der von Hayabusa2 zurückgebrachten Proben
▪︎ Yokoyama et al., Science – Chemische und mineralogische Ähnlichkeit von Ryugu mit CI-Chondriten
▪︎ Nakamura et al., Science – Entstehung und Entwicklung des kohlenstoffreichen Asteroiden Ryugu
▪︎ Naraoka et al., Science – Lösliche organische Moleküle in Ryugu-Proben
▪︎ Oba et al., Nature Communications – Nachweis von Uracil in Ryugu-Proben
▪︎ Koga et al., Nature Astronomy – Kanonische Nukleobasen in Proben des Asteroiden Ryugu