Als Rosetta im August 2014 den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko erreichte, war die europäische Raumsonde bereits mehr als zehn Jahre unterwegs. Was sie dort vorfand, entsprach nur teilweise dem klassischen Bild eines Kometen als schmutzigem Schneeball. 67P erwies sich als extrem dunkler, poröser und chemisch überraschend komplexer Körper. In seinem Gas und Staub fanden Rosettas Instrumente Wasser, Sauerstoff, zahlreiche organische Verbindungen und sogar die Aminosäure Glycin. Der Lander Philae ergänzte diese Untersuchungen direkt auf der Oberfläche und lieferte trotz seiner spektakulär missglückten Landung wissenschaftliche Daten.

Rosetta und Philae machten 67P damit zu einem der am gründlichsten untersuchten Kometen überhaupt. Vor allem aber veränderte die Mission einige Vorstellungen darüber, wie Kometen aufgebaut sind, woher ihr Wasser stammt und welche chemischen Bausteine sie seit der Frühzeit des Sonnensystems mit sich tragen.

Was war das Ziel der Rosetta-Mission?

Rosetta startete am 2. März 2004. Nach mehreren Vorbeiflügen an Erde und Mars sowie Begegnungen mit den Asteroiden Šteins und Lutetia erreichte die Sonde am 6. August 2014 den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko. Anders als frühere Kometenmissionen sollte Rosetta nicht nur kurz an einem Kometen vorbeifliegen. Die Sonde blieb mehr als zwei Jahre in seiner unmittelbaren Umgebung und beobachtete, wie sich 67P auf dem Weg zur Sonne und anschließend wieder von ihr fort veränderte.

Damit konnten Wissenschaftler erstmals über einen längeren Zeitraum verfolgen, wie ein Komet aktiv wird: Eis im Untergrund erwärmt sich und geht direkt in Gas über, Staub wird mitgerissen, Fontänen entstehen und die typische Koma entwickelt sich. Gleichzeitig untersuchte Rosetta die Zusammensetzung des austretenden Materials, die Oberfläche, den inneren Aufbau und die Wechselwirkung des Kometen mit dem Sonnenwind.

Am 12. November 2014 kam ein zweiter Teil der Mission hinzu. Rosetta setzte den rund 100 Kilogramm schweren Lander Philae aus, der direkt auf dem Kometenkern messen sollte. Es war die erste Landung eines Raumfahrzeugs auf einem Kometen.

Warum sieht der Komet 67P so ungewöhnlich aus?

Eine der ersten Überraschungen war bereits auf den Aufnahmen Rosettas zu erkennen. 67P besitzt zwei deutlich voneinander unterscheidbare Körperteile, die durch eine schmalere Region miteinander verbunden sind. Seine Form wurde häufig mit einer Badeente verglichen.

Die Messungen ergaben außerdem, dass der Komet außerordentlich locker aufgebaut ist. Seine Dichte liegt weit unter jener von kompaktem Wassereis. Aus den Rosetta-Daten wurde eine Porosität von ungefähr 70 bis 80 Prozent abgeleitet. Der Komet besteht demnach nicht aus einem massiven Block aus Eis und Gestein, sondern aus einem sehr porösen Gemisch aus Staub, Eis und weiteren Bestandteilen. Hinweise auf riesige Hohlräume im Inneren fanden die Instrumente dagegen nicht. Die geringe Dichte scheint vielmehr eine grundlegende Eigenschaft des Materials zu sein.

Auch die Oberfläche überraschte. Sie reflektiert nur etwa sechs Prozent des einfallenden sichtbaren Lichts und gehört damit zu den dunkelsten bekannten Oberflächen im Sonnensystem. Rosettas Instrument VIRTIS zeigte, dass die äußersten Schichten überwiegend trocken, staubig und reich an kohlenstoffhaltigem Material sind. Sichtbares Wassereis tritt nur stellenweise zutage. Unter der dunklen Oberfläche befindet sich jedoch deutlich mehr Eis, das bei zunehmender Sonneneinstrahlung sublimieren und den Kometen aktiv werden lassen kann.

Fand Rosetta Wasser auf dem Kometen?

Wasser war einer der wichtigsten Bestandteile, die Rosetta untersuchte. Wasserdampf stellte einen wesentlichen Anteil der aus dem Kometen austretenden Gase dar. Besonders interessant war jedoch nicht allein die Anwesenheit des Wassers, sondern seine Isotopenzusammensetzung.

Das Instrument ROSINA bestimmte das Verhältnis von Deuterium zu gewöhnlichem Wasserstoff. Deuterium ist eine schwerere Variante des Wasserstoffs, und das Verhältnis beider Isotope kann Hinweise darauf geben, unter welchen Bedingungen Wasser entstanden ist.

Für 67P ergab Rosetta einen Wert von etwa 5,3 × 10⁻⁴. Damit war das Deuterium-Wasserstoff-Verhältnis mehr als dreimal so hoch wie in den Ozeanen der Erde. Dieses Ergebnis war wichtig, weil Kometen lange als mögliche Hauptlieferanten des irdischen Wassers galten. Zumindest Kometen vom Typ 67P besitzen jedoch offenbar nicht die passende chemische Signatur, um die Ozeane der Erde allein zu erklären. Asteroiden könnten deshalb bei der Wasserversorgung der jungen Erde eine größere Rolle gespielt haben als manche Modelle zuvor angenommen hatten. Die Messung bedeutet allerdings nicht, dass überhaupt kein Wasser durch Kometen auf die Erde gelangte.

Welche organischen Moleküle entdeckte Rosetta auf 67P?

Zu den bedeutendsten Ergebnissen der Mission gehört die chemische Vielfalt von 67P. Rosetta fand zahlreiche kohlenstoffhaltige Moleküle im Gas und Staub des Kometen. Besonders viel Aufmerksamkeit erhielt 2016 der Nachweis von Glycin.

Glycin ist die einfachste Aminosäure und wird auf der Erde beim Aufbau von Proteinen verwendet. Gemeinsam mit Glycin wurde auch Phosphor nachgewiesen. Phosphor ist unter anderem Bestandteil von DNA, Zellmembranen und zentralen Molekülen des Energiestoffwechsels.

Der Fund bedeutet ausdrücklich nicht, dass auf 67P Leben existiert oder jemals existiert hat. Aminosäuren und andere organische Moleküle können ohne biologische Prozesse entstehen. Ihre Anwesenheit zeigt jedoch, dass Kometen chemische Ausgangsstoffe transportieren können, die für die Entstehung von Leben von Bedeutung sind. Damit wurde die Vorstellung gestützt, dass Einschläge von Kometen und Asteroiden auf der frühen Erde zumindest einen Teil organischer Ausgangsmaterialien geliefert haben könnten.

Warum war der Sauerstoff auf 67P eine Überraschung?

Noch verblüffender war der Nachweis von molekularem Sauerstoff. Rosetta fand O₂ im ausströmenden Gas von 67P. Es handelte sich um den ersten direkten Nachweis von molekularem Sauerstoff in der Umgebung eines Kometen.

Das war unerwartet, weil Sauerstoff chemisch sehr reaktiv ist. Wissenschaftler hatten deshalb nicht damit gerechnet, größere Mengen davon in ursprünglichem Kometenmaterial zu finden. Das beobachtete Verhältnis zu Wasser deutete darauf hin, dass der Sauerstoff möglicherweise bereits sehr früh in das Eis eingebaut worden war – möglicherweise noch bevor oder während sich das Sonnensystem bildete.

67P wurde damit zu einer Art chemischem Archiv. Einige seiner Bestandteile könnten Bedingungen widerspiegeln, die vor mehr als 4,5 Milliarden Jahren in der Umgebung herrschten, aus der Sonne und Planeten entstanden.

Was entdeckte Philae direkt auf der Oberfläche?

Philaes Landung am 12. November 2014 verlief völlig anders als geplant. Nach einem etwa siebenstündigen Abstieg berührte der Lander zunächst die vorgesehene Region Agilkia. Seine Harpunen, die ihn auf der extrem schwach gravitierenden Oberfläche verankern sollten, wurden jedoch nicht ausgelöst.

Philae prallte wieder ab und bewegte sich noch rund zwei Stunden über den Kometen. Rekonstruktionen der Flugbahn ergaben mehrere Kontakte mit der Oberfläche, bevor der Lander schließlich mehr als einen Kilometer vom ursprünglichen Aufsetzpunkt entfernt in der Region Abydos zur Ruhe kam. Dort stand er ungünstig zwischen beziehungsweise neben größeren Strukturen und erhielt wesentlich weniger Sonnenlicht als vorgesehen. Trotzdem konnten ungefähr 80 Prozent des ursprünglich geplanten ersten wissenschaftlichen Programms durchgeführt werden.

Die Instrumente COSAC und Ptolemy analysierten Material beziehungsweise Gase in der unmittelbaren Umgebung. COSAC identifizierte insgesamt 16 organische Verbindungen; mehrere davon waren zuvor nicht auf Kometen nachgewiesen worden. Darunter befanden sich stickstoffhaltige und sauerstoffhaltige organische Stoffe. Philae lieferte damit unabhängig vom Orbiter weitere Hinweise darauf, dass die chemische Zusammensetzung eines Kometen deutlich komplexer ist, als die Bezeichnung „schmutziger Schneeball“ vermuten lässt.

Wie hart ist die Oberfläche eines Kometen?

Die unfreiwilligen Sprünge Philaes ermöglichten Messungen an unterschiedlichen Stellen des Kometen. Dabei zeigte sich, dass die Oberfläche nicht überall gleich beschaffen ist.

An einigen Stellen liegt lockeres, staubiges Material. Am endgültigen Standort Abydos stieß das MUPUS-Instrument dagegen auf eine außerordentlich harte Schicht. Der Versuch, eine Messsonde tiefer in den Untergrund zu treiben, gelang nicht wie vorgesehen. Die Beobachtungen sprechen dafür, dass sich unter einer dünneren lockeren Deckschicht erheblich festeres, wahrscheinlich eisreiches Material befinden kann.

Damit zeigte Philae, dass ein Komet nicht einfach aus durchgehend lockerem Staub besteht. Selbst innerhalb weniger Bereiche können sich mechanische Eigenschaften deutlich unterscheiden. Diese Erkenntnisse sind auch für spätere Missionen wichtig, die auf Kometen landen, bohren oder Materialproben entnehmen sollen.

Besitzt 67P ein Magnetfeld?

Auch bei der Frage nach dem Magnetismus lieferte die ungewöhnliche Landung einen Vorteil. Instrumente auf Rosetta und Philae konnten während der verschiedenen Oberflächenkontakte Messungen durchführen. Dabei fand sich kein Hinweis darauf, dass der Kometenkern selbst dauerhaft magnetisiert ist.

Das Ergebnis ist für Modelle zur Entstehung kleiner Körper im frühen Sonnensystem interessant. Falls einzelne Staub- und Eispartikel bei der Bildung des Kometen magnetisiert waren, spielte magnetische Anziehung offenbar keine entscheidende Rolle dabei, aus ihnen einen Körper von der Größe 67Ps aufzubauen.

Brachten Kometen die Bausteine des Lebens auf die Erde?

Rosetta beantwortete diese Frage nicht endgültig, machte das Bild aber differenzierter. Beim Wasser lieferte 67P eher ein Argument dagegen, dass Kometen dieses Typs die Hauptquelle der irdischen Ozeane waren. Gleichzeitig zeigte die Mission, dass Kometen eine beeindruckende Vielfalt organischer Stoffe enthalten.

Glycin, Phosphor und weitere organische Moleküle beweisen kein außerirdisches Leben. Sie zeigen jedoch, dass wichtige Ausgangsstoffe für präbiotische Chemie bereits in kleinen Körpern des frühen Sonnensystems vorhanden sein konnten.

Hinzu kamen weitere bemerkenswerte Messungen. Rosetta wies beispielsweise verschiedene Xenon-Isotope nach. Deren Zusammensetzung weist gewisse Ähnlichkeiten mit einem ursprünglichen Xenonbestandteil der Erdatmosphäre auf. Daraus entstand die Möglichkeit, dass Kometen zwar nicht den Großteil des Erdwassers, aber einen Teil flüchtiger Stoffe der jungen Erde geliefert haben könnten. Die Geschichte der Erde lässt sich deshalb wahrscheinlich nicht auf eine einzige Art von kosmischem Lieferanten reduzieren.

Was wissen wir heute über den Kometen 67P?

Rosetta und Philae verwandelten 67P von einem kleinen Lichtpunkt am Himmel in eine eigene Welt mit Klippen, Gruben, Geröllfeldern, Staubschichten, Eisvorkommen und aktiven Gasfontänen. Die Mission zeigte einen extrem dunklen und porösen Körper, dessen Inneres offenbar keine gewaltigen Hohlräume besitzt und dessen chemische Zusammensetzung Spuren aus der Frühzeit des Sonnensystems bewahrt.

Besonders bedeutend ist die Kombination der Ergebnisse. Das Wasser auf 67P unterscheidet sich deutlich vom Wasser der irdischen Ozeane. Gleichzeitig enthält der Komet organische Moleküle, Glycin, Phosphor und ursprünglichen molekularen Sauerstoff. Philae zeigte direkt auf der Oberfläche, dass sich lockere Staubschichten und sehr festes Material abwechseln können.

Am 30. September 2016 endete schließlich auch Rosettas Reise. Die Sonde wurde kontrolliert auf 67P hinabgeführt und sammelte während ihres letzten Abstiegs noch einmal Daten und hochaufgelöste Bilder aus unmittelbarer Nähe. Mit dem Verlust ihres Signals endete die aktive Mission, nicht aber ihre wissenschaftliche Auswertung.

Rosettas wichtigste Entdeckung war deshalb vielleicht keine einzelne Substanz. Die Mission zeigte, dass Kometen keine simplen gefrorenen Überreste sind. Sie sind komplexe Archive der Entstehungszeit des Sonnensystems. In ihrem Eis, ihrem Staub und ihren organischen Stoffen steckt ein Teil der chemischen Geschichte, aus der später Planeten entstanden – und auf mindestens einem davon schließlich Leben.

Quellen
▪︎ European Space Agency (ESA) – Rosetta Mission und wissenschaftliche Ergebnisse
▪︎ Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) – Rosetta/Philae, Ergebnisse der Mission
▪︎ Altwegg et al., Science – Deuterium-Wasserstoff-Verhältnis in 67P/Tschurjumow-Gerassimenko
▪︎ Altwegg et al., Science Advances – Glycin und Phosphor im Kometen 67P
▪︎ Bieler et al., Nature – Molekularer Sauerstoff in der Koma von 67P
▪︎ Goesmann et al., Science – Organische Verbindungen auf 67P durch COSAC
▪︎ Spohn et al., Science – Thermische und mechanische Eigenschaften der Oberfläche von 67P
▪︎ Kofman et al., Science – Untersuchung des Kometeninneren mit CONSERT