Dart-Mission Asteroiden-Abwehr geglückt: Wir können Himmelskörper umlenken

Wenige Monate vor dem geplanten Einschlag auf einem fremden Himmelskörper nähert sich die Raumsonde Dart dem Doppel-Asteroiden-System Didymos. Alle fünf Stunden nehmen die Kameras der Raumsonde ein Bild auf. Das Asteroiden-System besteht aus Didymos, einem fast 800 Meter großem Asteroiden, und seinem Mond Dimorphos mit einem mittleren Durchmesser von circa 150 Metern. 

Im November 2003 kam das Doppel-Asteroiden-System der Erde mit einem Abstand von fast sechs Millionen Kilometern am nächsten. Somit wurde das System als ein potenziell gefährlicher Asteroid (Potentially Hazardous Asteroid, kurz: PHA) eingestuft. Jedoch besteht auf seiner derzeitigen Umlaufbahn keine Gefahr für die Erde. Doch dort draußen schwirren eine Vielzahl von Asteroiden herum, die der Erde eines Tages gefährlich werden können. Einen Einschlag wie zur Zeit der Dinosaurier würde die Menschheit kaum überleben.

Aus diesem Grund haben sie die beiden Raumfahrtbehörden Nasa und Esa für einen Test zur Asteroiden-Abwehr entschieden. Der Einschlag erfolgte am 26. September 2022 auf dem Mond Dimorphos. Bereits im Oktober 2022 gaben Astronomen bekannt, dass die Mission ein Erfolg war und der Einschlag die Umlaufzeit von dem Mond Dimorphos verkürzte. Am 1. März 2023 wurden fünf Studien veröffentlicht, die den Einschlag und die darauffolgenden Ereignissen genauer untersucht haben. 

"Diese Situation ist selten für die Planetenforschung und sehr aufregend", erklärt Carolyn Ernst, eine der Studienautorin und Planetenforscherin am Johns Hopkins Universitätslabor für angewandte Physik (APL). Die letzten Monate vor dem Einschlag näherte sich die Raumsonde dem Doppel-Asteroiden-System an. 

Etwa vier Stunden vor dem Einschlag übergab das Forschungsteam die Kontrolle an Dart und erlaubte der Sonde, sich mit ihrem autonomen Smart-Nav-System selbst zu navigieren. Dabei schossen die Kameras weitere Bilder. Dimorphos blieb zunächst hinter seinem Mutterkörper verborgen, wovon das Missionsteam auch ausging. Erst 73 Minuten vor dem geplanten Einschlag konnte Dart den Felsbrocken Dimorphos erkennen.

Während des Annäherungsfluges erstellten die Instrumente von Dart ein Modell des Asteroiden-Mondes. Dabei fiel auf, dass Dimorphos wie ein Rugby-Ball geformt ist und einen mittleren Durchmesser von 153 Metern umfasst – die genauen Maße betragen 177 x 174 x 116 Meter. Der Mond umkreist seinen Wirtskörper bisher in einer Entfernung von ungefähr 1.200 Metern. 

Eine grafische Darstellung der Umlaufbahn vom Doppel-Asteroiden-System Didymos - die türkisen Linien. Hinzu kommen weiße Linien mit Punkten, die die Umlaufbahnen der inneren Planeten darstellen. In der Mitte befindet sich ein gelber Punkt, der die Sonne darstellt. Bildrechte: NASA/JPL-Caltech

"Es sieht eindeutig wie eine Ansammlung von Steinen aus", sagt Ernst und fügte hinzu, dass sie überrascht war, wie ellipsoidisch der Asteroid aussieht. Dabei war es das erste Mal, dass sie und ihre Teammitglieder ein hochauflösendes Bild von Dimorphos sahen. Seine Oberfläche war mit Felsbrocken übersät – ähnlich wie bei Asteroiden Ikotawa, Bennu oder Ryugu, die allesamt aus Trümmern bestehen. 

Etwa 2,5 Minuten vor dem Aufprall stellt die DART-Sonde ihre Manöver ein, auch um die Erschütterungen und Verzerrungen auf den letzten Bildern zu reduzieren. Während dieser Phase nimmt die Sonde jede Sekunde ein Bild auf. Darunter auch die geplante Einschlagstelle, ein 880 Quadratmeter großen Fleck auf der vorderen Hemisphäre des Asteroiden – der Bereich, der auf der Umlaufbahn des Asteroiden-Duos zur Sonne zeigt. 

In einem Winkel von 73 Grad soll Dart einschlagen. Ihre Solarzellen hat die Sonde leicht geneigt, sodass sie kurz vor dem Einschlag keinen der Felsbrocken streift. 1,8 Sekunden vor dem geplanten Einschlag folgte die letzte Bildübertragung. Die Raumsonde befindet sich zu diesem Zeitpunkt auf ihrem Anflug zwischen zwei großen Felsbrocken. KAWOOM. Dart ist auf dem Asteroidenmond Dimorphos eingeschlagen.

Bisher benötigte der Mond 11 Stunden und 55 Minuten für eine Umrundung von Didymos. Im Oktober verkündeten die Astronomen, dass sich die Umlaufzeit auf 32 Minuten verkürzt hat. Mittlerweile haben die Forschenden die Daten neu ausgewertet und sprechen von einer verkürzten Umlaufzeit von 33 Minuten. Damit war die Mission ein voller Erfolg.

Der Einschlagsort auf der vorderen Hemisphäre des Asteroiden wurde bewusst gewählt. An dieser Stelle konnte die Impulsübertragung von der Sonde auf den Asteroiden maximiert werden. Das Missionsteam erhoffte sich dadurch, den Mond näher an sein Wirtsobjekt heranzubringen. 

Jedoch war den Forschenden die Zusammensetzung von Dimorphos bis dato unbekannt. Wenn die Raumsonde auf einen festen Himmelskörper stürzen würde, würde bei dem Aufprall kein Material des Asteroiden ausgeworfen werden. In diesem Fall könnte die Umlaufbahn von Dimorphos um maximal sieben Minuten verkürzt werden. 

Vierzehn aufeinanderfolgende Arecibo-Radarbilder des erdnahen Asteroiden (65803) Didymos und seines kleinen Mondes, aufgenommen am 23., 24. und 26. November 2003. Die photometrischen Lichtkurvendaten deuten darauf hin, dass Didymos ein Doppelsternsystem ist, und die Radaraufnahmen zeigen deutlich den zweiten Körper. Die Bilder sind schwarz-weiß und sehr pixelig. Bildrechte: NASA/JPL-Caltech

Damit die Mission als Erfolg bewertet wird, musste Dart die Umlaufzeit des Mondes um nur 73 Sekunden verkürzen. Sollte sich der Asteroid jedoch als relativ lockerer Gesteinshaufen herausstellen, schätzten die Forschenden eine viel größere Bahnveränderung von bis zu 40 Minuten.

Bei dem Aufprall wurden mindestens eine Millionen Kilogramm an Geröll herausgesprengt. Dies sorgte für einen zusätzlichen Impuls. Das gesprengte Material verhielt sich ähnlich wie eine ausgelöste Kanone: Es schlug aufgrund des Rückstoßes gegen Dimorphos zurück und erhöhte den auf den Asteroiden übertragenen Schwung über das hinaus, was alleine durch die Masse und Geschwindigkeit durch Dart niemals hätte ausgelöst werden können. Andrew Cheng und sein Team waren wegen des großen Impulstransfer überrascht. Er ist einer der Hauptautoren einer der fünf Studien und maß gemeinsam mit seinem Team den Impulstransfers von Dart auf Dimorphos.  

Der Einschlag wurde von etlichen Teleskopen beobachtet. Darunter auch die Weltraumteleskope Hubble und James Webb. Jedoch konnten diese den Zeitpunkt des Aufpralls nicht beobachten. Dafür nutzten die Forschenden das Hubble-Teleskop, um den Asteroiden anschließend fast 19 Tage lang zu beobachten – beginnend 15 Minuten nach dem Einschlag. 

Der Einschlag führte zu einem zehnfachen Anstieg der Helligkeit. Vielleicht war Dimorphos auseinandergebrochen? Nach zwei Wochen die Entwarnung. Dimorphos ist wohl erhalten. "Das ist gut, denn das Ziel war es, den Asteroiden abzulenken, nicht ihn zu zerstören", sagte Ariel Graykowski. Sie ist Astronomin am SETI-Institut (Search for Extraterrestrial Intelligence) in Mountain View (Kalifornien) – das das Universum nach außerirdischen Signalen absucht.

Nach dem Einschlag kam es zu einer kurzzeitigen, leicht rötlichen Verfärbung. Diese Farbverschiebung könnte entweder auf den Blickwinkel auf die dicke Staubwolke oder auf das bestrahlte Material zurückzuführen sein. Einen ähnlichen Rötungseffekt zeigte die dicke Staubwolke, die von der Nasa-Raumsonde Deep Impact beim Einschlag auf den Kometen Tempel 1 verursacht wurde. Auch hier normalisierte es sich, als die Staubwolke verblasste.

Kurz nach dem Einschlag formte sich das ausgeworfene Material zu einer kegelförmigen Form mit Gesteinsklumpen unterschiedlicher Größe, die bis zu 500 Kilometer vom Asteroiden entfernt waren. Diese ungleichmäßigen Auswürfe zeigen, dass Dimorphos wahrscheinlich eine steinige Oberfläche, aber ein trümmerreiches Inneres hat, erklärt das Forschungsteam.

Zwei Staubschweife, die vom Asteroidensystem Didymos-Dimorphos ausgeworfen wurden, sind auf Bildern des Hubble-Weltraumteleskops zu sehen. Sie dokumentieren die Nachwirkungen des Dart-Einschlags (Double Asteroid Redirection Test) der NASA am 26. September 2022. Bildrechte: NASA, ESA, STScI, Jian-Yang Li (PSI), Joseph DePasquale

Drei Stunden nach der Kollision tauchte der erste Staubschweif in einer dem Auswurfkegel entgegengesetzten Richtung auf, und die Strahlung der Sonne dehnte ihn um mehr als 1.500 Kilometer aus. Zwischen dem 2. und 5. Oktober 2022 bildete sich ein zweiter Schweif aus verstreutem Staub. Dies führte zur Verdunklung des Didymos-Systems in Bezug auf dessen Gesamthelligkeit. Erst nach zweieinhalb Wochen verblasste der Schweif. 

Wie sich der Schweif gebildet hat, wissen die Forschenden nicht. Jedoch kann Jian-Yang Li ausschließen, dass der Schweif durch den Wiedereinschlag einiger gesprengter Felsen auf Dimorphos oder Didymos oder durch die Kollision größerer Felsen, die dann in kleine Stücke zerfallen, entstanden ist. Li ist Astronom am Planetary Science Institute in Tucson (Arizona) und ebenfalls Hauptautor einer der fünf Studien. 

Die Masse der Staubwolke konnte dank Bürgerastronomen auf der Insel Reunion im Indischen Ozean und in Nairobi (Kenia) auf 0,3 bis 0,5 Prozent der Masse von Dimorphos bestimmt werden, so Graykowski. 

Falls demnächst ein gefährlicher Asteroid auf die Erde zurast, könnten solche Missionen die Erde vor der Auslöschung bewahren. Ganz so gefährlich wie in Don’t Look Up oder ähnlichen Filmen braucht es somit nicht zu werden. Und falls Sie etwas Asteroiden-Spaß haben wollen: Geben Sie bei Google einfach dart mission ein. Ein paar Sekunden danach wissen Sie warum. Den Begriff meteorit können wir auch empfehlen. Da hatten ein paar Nerds bei Alphabet offenbar jede Menge Freude am Programmieren.