Space Billiard

Nach zehnmonatigem Weltraumflug krachte die Raumsonde DART am 27. September 2022 um 01.14 Uhr unserer Zeit in einen Asteroiden namens Dimorphos. Es war der erste Versuch in der Menschheitsgeschichte, den Flug eines Himmelskörpers zu verändern. Das Museum für Naturkunde – Leibniz-Institut für Evolutions- und Biodiversitätsforschung analysiert das Weltraumexperiment der NASA anhand von Simulationen des Einschlags, um mehr über die Beschaffenheit des Asteroiden zu erfahren. Wir haben mit dem Planetologen ROBERT LUTHER darüber gesprochen.

LEIBNIZ Herr Luther, wie haben Sie den Moment des Aufpralls im September erlebt?

ROBERT LUTHER Ich war zu Hause und habe die Kollision live im Internet verfolgt. Das war alles sehr aufregend. Zuerst sah man nur einen winzigen Punkt in der Ferne, der sich irgendwann in zwei Punkte aufteilte, den Hauptkörper Didymos und seinen Mond Dimorphos. Die beiden bilden zusammen ein binäres Asteroidensystem. Dann flog die Sonde an Didymos vorbei und immer weiter auf Dimorphos zu, nach und nach konnte man einzelne Bestandteile auf seiner Oberfläche erkennen, Krater und Felsbrocken zum Beispiel. Und dann schlug die Sonde ein. Das war schon ein sehr emotionaler Moment!

Wie haben Sie reagiert? Sind Sie im Wohnzimmer auf- und abgehüpft?

Ich habe mich einfach nur gefreut. Ich habe dann noch kurz mit Kollegen geschrieben, die live vor Ort in den USA waren, habe mich erkundigt, wie die Stimmung dort ist, wie es ihnen geht. Anschließend bin ich ins Bett gegangen. Bei uns war es ja mitten in der Nacht.

Hatten Sie denn gedacht, dass die Mission so reibungslos verlaufen würde?

Die Chancen standen schon sehr gut. Es gibt ja immer eine Risikoabwägung für solche Missionen, und im Vorfeld wurde auch viel getestet. Dennoch war die Aufregung beim Team in der Kontrollzentrale natürlich deutlich zu spüren. Wenn man so lange auf etwas hinarbeitet, dann gibt es einfach diese Anspannung, ob auch wirklich alles so funktionieren wird, wie man es geplant und sich vorgestellt hat.

Haben Sie sich als Teil des NASA-Experiments gefühlt und gedacht: Das ist jetzt auch mein Erfolg?

Ja, schon. Ich habe die Raumsonde zwar nicht gebaut, gehöre aber zum begleitenden Wissenschaftsteam, genauer: zur Impakt-Modellierungsgruppe, die die Kraterbildung durch den Einschlag untersucht. In der Zeit vor dem Impakt haben wir uns täglich per Zoom getroffen. Auch wenn das wegen der Zeitverschiebung durchaus anstrengend war, entsteht da schon so eine Art Wir-Gefühl.

Was genau war die Aufgabe der Gruppe?

Wir haben versucht, mit Hilfe von Simulationen die Auswirkungen des Einschlags der Sonde vorauszusagen. Wieviel Material wird ausgeworfen und in die Umgebung geschleudert? Wie groß wird der Krater sein? Das war wichtig, um zu ermitteln, wie erfolgreich wir Dimorphos im Zuge der Mission aus der Bahn hätten werfen können, also wie effizient die Ablenkung durch die Sonde unter bestimmten Annahmen hätte sein können. Im Rückblick ziehen wir nun durch die gemessene Bahnänderung und aus Bildern der Ejekta, so nennen wir die Auswurfmassen aus solchen Kratern, Rückschlüsse auf die Struktur und die Materialzusammensetzung des Asteroiden – wie weich ist er, wie porös?

Gibt es da so große Unterschiede?

Asteroiden sind sehr vielfältig. Das können feste Gesteinsbrocken sein, aber auch Ansammlungen von Fragmenten. In unserem Fall geht man eher von Letzterem aus: Dimorphos ist wahrscheinlich eine Art Geröllhaufen, zusammengehalten durch seine eigene, schwache Schwerkraft und seine geringe Materialfestigkeit.

Welche Rolle spielt die Beschaffenheit eines Asteroiden, wenn ich ihn ablenken will?

Ein Gesteinsbrocken ist viel fester und weniger porös, die Bahnablenkung wäre also womöglich weniger effektiv als in unserem Experiment. Die Physik dahinter kann man sich in etwa wie beim Billard vorstellen: Durch die Impulserhaltung überträgt die weiße Kugel ihre Bewegung auf eine zweite Kugel, in unserem Fall gibt also die Raumsonde den Bewegungsimpuls auf den Asteroiden. Ein wichtiger Unterschied bei einem Asteroiden ist jedoch, dass durch den Einschlag zusätzlich Material ausgeworfen wird, und, ähnlich wie bei einem Triebwerk, eine Bewegungsänderung entgegen des ausgeworfenen Materials stattfindet. Genau das können wir mit unseren Modellen simulieren. Die Beschaffenheit des Asteroiden beeinflusst stark, wie viel und in welche Richtung Material aus dem Krater ausgeworfen wird – und damit, wie stark die Bewegungs- und Bahnänderung ist. Dieselbe Bewegungsänderung wäre grundsätzlich für verschiedene Kombinationen von Materialeigenschaften möglich.

Wissen Sie denn jetzt alles über den Krater?

Den Krater selbst haben wir noch gar nicht gesehen. Die DART-Mission hat uns gezeigt, wie viel Material so eine Sonde aus einem Asteroiden auswerfen kann. Dadurch grenzen wir die Eigenschaften des Materials ein, aber wir wissen noch nicht so genau, wie es zum Beispiel um die Dichte und Masseverteilung zwischen Didymos und Dimorphos bestellt ist. Dafür brauchen wir Hera, die Folgemission der ESA. Die Hera-Sonde wird sich im Oktober 2024 auf den Weg zum Didymos-System machen, Ende 2026 sollen dann die Untersuchungen der beiden Asteroiden beginnen. Neben der Hauptsonde fliegen zwei Cubesats mit, Mini-Satelliten. Zusammen transportieren sie verschiedene Analysegeräte, etwa Radare, Spektrometer und Gravimeter. Dabei werden hoffentlich auch der Krater und Spuren des Einschlags zu sehen sein.

Gehen wir noch einmal zurück in die Nacht des Experiments im vergangenen September: Die Sonde hat den Asteroiden getroffen, und das wurde als großer Erfolg gefeiert. Weiß man denn aber auch schon, ob er seine Bahn tatsächlich verändert hat?

Ja, das konnte man bereits in den ersten Wochen nach dem Aufprall feststellen. Vorher benötigte Dimorphos elf Stunden und 55 Minuten, um Didymos zu umrunden. Die Sonde hat ihn auf eine schnellere Umlaufbahn gestoßen. Seitdem braucht er nur noch elf Stunden und 23 Minuten.

Wie misst man so etwas?

Im Prinzip geht es um Helligkeitskurven. Der Mond kreist um seinen Hauptkörper, und man misst die Helligkeit dieses Systems. Periodische Schwankungen entsprechen dabei der Umlaufbahn des Mondes. Wenn er zum Beispiel hinter dem Hauptkörper verschwindet, wird weniger Licht reflektiert. Diesen Unterschied in der Periode konnte man bereits nachweisen.

Hätte der Asteroid der Erde denn überhaupt gefährlich werden können?

Nein. Er eignete sich aber besonders gut als Testobjekt.

Warum?

Wäre das Zielobjekt der Mission ein einzelner Asteroid gewesen, so hätten wir dessen Umlaufbahn um die Sonne verändert. Dimorphos hingegen kreist um Didymos, nicht um die Sonne. Er hat daher eine viel kleinere Umlaufbahn, und die Bahnveränderung durch den Einschlag ist deshalb viel schneller und klarer nachweisbar.

Nehmen wir trotzdem einmal an, der Asteroid hätte eine potenzielle Bedrohung für die Erde dargestellt. Wäre er jetzt noch gefährlich?

Im Idealfall: Nein. Denn wir hätten ihn ja von der Erdbahn abgelenkt. Aber ob ein Asteroid gefährlich ist, hängt natürlich von vielen Faktoren ab: Wie groß er ist, woraus er besteht, wie schnell er ist, welche Bahn er hat und welchen Einschlagswinkel er hätte. Und der Ablenkungserfolg hängt davon ab, wie früh man von einem möglichen Einschlag weiß.

2013 explodierte ein Asteroid über der russischen Stadt Tscheljabinsk. Obwohl der Brocken nur etwa 20 Meter groß war, wurden viele Häuser beschädigt und mehr als 1.500 Menschen verletzt. Geschah das ohne Vorwarnung?

Ja. Den Asteroiden hat man vorher nicht gesehen. Er kam aus Richtung der Sonne und war dadurch schwer zu beobachten.

Wie genau muss man sich so eine Explosion vorstellen?

Beim Eintritt in die Atmosphäre mit einer Geschwindigkeit von durchschnittlich 20 Kilometern pro Sekunde verdichtet und erhitzt der Asteroid die Luft und löst eine Schockwelle aus. Gleichzeitig schmilzt oder verdampft der Asteroid und zerbirst durch den hohen Druck. Am Boden haben die Bewohner zunächst Leuchterscheinungen beobachtet, sie fanden das vielleicht auch ganz faszinierend und sind ans Fenster gegangen. Dann kam zeitversetzt die Schockwelle. Sie hat die Fenster in großen Bereichen zerstört, viele Leute erlitten Schnittverletzungen.

Ist so ein Ereignis überall und jederzeit möglich?

Im Prinzip ja.

Wie häufig kommt ein Einschlag dieser Größenordnung vor?

Statistisch gesehen im Rahmen von Jahrzehnten bis Jahrhunderten. Gerade bei den kleineren Asteroiden wie bei Tscheljabinsk sind durchaus Überraschungen möglich. Es gibt auch jüngere Beispiele für den Einschlag etwas größerer Brocken. Ein berühmtes Ereignis ist der Einschlag im sibirischen Tungusta von 1908. Der Asteroid war etwa 50 Meter groß und hat 60 Millionen Bäumen entwurzelt oder umgeknickt – auf einer Fläche, die mit 2.000 Quadratkilometern ungefähr der Größe des Saarlands entspricht.

Und wie häufig kommt so etwas vor?

Deutlich seltener. Ich würde mal schätzen: In 100 bis 1.000 Jahren einmal. Im Einzelfall hält sich der Asteroid aber natürlich nicht an die Statistik. Doch deswegen muss man nicht panisch werden.

Könnte es sein, dass ein Asteroid, der sich auf die Erde zubewegt, nur einen Tag vor dem Einschlag entdeckt wird?

Ja. Aber auch hier gilt, dass kleine Asteroiden deutlich schwerer und damit teils erst später zu beobachten sind.

Die Situation stelle ich mir ziemlich unerträglich vor.

Wir versuchen aktuell, uns auf solche Szenarien vorzubereiten. Denn je nach Größe kann man auch dann noch einiges tun, um Menschen zu schützen. Wenn ich die Geschwindigkeit und die Größe des Objekts kenne und weiß, es tritt in ein, zwei Tagen in die Atmosphäre ein, dann kann man die Leute im Wirkbereich des Einschlags evakuieren oder sie bei kleineren Ereignissen, also der Größe Tscheljabinsks, auffordern, von den Fenstern fernzubleiben. Um solche Schutzmaßnahmen einleiten zu können, müssen wir natürlich die Effekte kennen, die zu erwarten sind. Welcher Überdruck durch die Schockwelle in der Atmosphäre wird in welcher Entfernung auftreten? Wird es einen Krater geben, oder ist es eher eine Luftdetonation? Wie stark ist die zu erwartende thermische Strahlung? Das Ganze ist ja ein sehr heißer Vorgang. Daher arbeiten wir gerade mit der ESA an einer Software, die solche Szenarien berechnet und listet. Die Auswirkungen von Asteroiden mit bekannter Flugbahn und Größe können dann als Karte dargestellt werden, aus der hervorgeht, welche Gebiete von welchen Effekten wie stark betroffen sind. Diese Karten sollen am Ende dem Katastrophenschutz helfen, geeignete Maßnahmen zu treffen.

Immer wieder werden ja auch neue Asteroiden entdeckt. Wie findet man sie?

Es existiert ein weltweites Netz von Sternwarten, die den Nachthimmel global abdecken. Zusätzlich gibt es satellitenbasierte Beobachtungen. Man sucht dabei Bewegungen von kleinen Lichtpunkten im Bezug zu ihrem Fixstern und gleicht sie mit bekannten Objekten ab. Stößt man auf ein neues Objekt, wird es in eine Liste aufgenommen. Größere Asteroiden sind natürlich leichter zu aufzuspüren. Wir kennen heute ungefähr 30.000 erdnahe Asteroiden. Etwas mehr als 1.000 davon stehen auf der Risikoliste: Von ihnen weiß man, dass ihre Umflaufbahn möglicherweise eines Tages die Erdbahn kreuzen wird.

Das heißt aber noch nicht, dass sie uns tatsächlich irgendwann gefährlich werden?

Nein. Es gibt eine Rangfolge auf dieser Liste, nach der das Risiko und die Konsequenzen eines möglichen Einschlags gewichtet werden. Aber die Impakt-Wahrscheinlichkeit ist generell sehr klein.

Man hat also aktuell keinen Asteroiden im Blick, bei dem man sagen würde: Da müssen wir jetzt aber mal was tun?

Nein. 2029 fliegt Apophis an der Erde vorbei, ein recht großes Objekt. Der Asteroid stand eine gewisse Zeit ganz oben auf der Risikoliste, weil eine relativ hohe Wahrscheinlichkeit bestand, dass er einschlagen könnte. Apophis wurde konsequent beobachtet, um seine Bahn genauer bestimmen zu können. Nun steht fest: In den nächsten paar Hundert Jahren wird er nicht einschlagen. Er wird aber sehr nah an der Erde vorbeifliegen. Es wird also sehr spannend, Apophis zu beobachten, und es soll auch eine Mission zu diesem Körper geben.

Ist es bei so vielen Asteroiden nicht seltsam, dass relativ wenig passiert?

Sie meinen, dass so wenige von ihnen mit der Erde kollidieren? Das stimmt nicht so ganz: Im sehr kleinen Bereich passiert sogar ziemlich viel. Viel Material trifft in Form kosmischen Staubs auf die Erde. Dazu kommen dann kleinere Asteroiden, aber meist bleibt es bei Leuchterscheinungen. Erst kürzlich kam ein Objekt, etwa einen Meter groß, über dem Ärmelkanal herunter. Es gab einen schönen, sehr großen Meteor, die Leute haben sich mit Kameras und Ferngläsern positioniert. Dieses Objekt hat man sogar bereits vor dem Einschlag auf die Erde beobachtet und den Zeitpunkt des Einschlags vorhersagen können. Und ein anderer Meteorit ist vor sehr kurzem in Elmshorn in ein Hausdach eingeschlagen. Zum Glück wurde aber niemand verletzt.

Kommen wir noch einmal zurück auf die Asteroiden-Ablenkung durch eine Raumsonde. Bis zu welcher Objektgröße würde die Technologie funktionieren?

Da bewegen wir uns im Bereich von ein paar hundert Metern Durchmesser. Aber wie erfolgreich eine Bahnablenkung ist, hängt auch mit der Vorwarnzeit zusammen. Die von uns erprobte Technik funktioniert nur mit einem Vorlauf von einigen Jahren. Wir haben ja keine Sonde parat, die schon vorsorglich um die Erde kreist. Die müsste man erst einmal bauen und starten, das ist ein großer Aufwand. Und um einen größeren Asteroiden von vielleicht einem Kilometer Durchmesser abzulenken, müsste man die Bahn mehrere Jahrzehnte vor dem erwarteten Einschlag mit einer oder mehreren Sonden à la DART verändern, damit die kleine Bahnänderung über die Zeit eine größere Wirkung erreicht.

Grundsätzlich könnte eine Sonde wie DART so einen Asteroiden künftig aber zuverlässig unschädlich machen? Oder war DART nur ein kniffliges Spiel der Wissenschaft, eine Art Machbarkeitsstudie?

Zunächst einmal war DART keine Wissenschaftsmission, sondern eine Technologiedemonstration des Planetary Defense Coordination Office der NASA. Es ging primär darum, zu gucken, ob die Technik funktioniert. Nun haben wir das Experiment einmal durchgeführt, und natürlich müsste man das jetzt auch an anderen Asteroiden testen. Zum Beispiel an Asteroiden eines ganz anderen Typs mit ganz anderen Materialeigenschaften. Aber grundsätzlich haben wir eine Bestätigung, dass wir uns vor Asteroiden schützen können.

Von einer Routine sind wir demnach noch weit entfernt. Und es stellt sich ja auch die Frage: Brauchen wir die Technik überhaupt?

Routine hieße ja, man müsste permanent Asteroiden ablenken. Und das müssen wir nicht. Allerdings wäre eine gewisse Routine schon gut, etwa, stets eine Reservesonde in der Umlaufbahn zu haben. Vielleicht taucht ja einmal unerwarteter Weise ein Objekt der Größe von Dimorphos auf. Auch wenn die Wahrscheinlichkeit eines solchen Szenarios nicht allzu hoch ist, gehört Dimorphos zu einer Größenklasse, deren Bestand noch nicht komplett durch Beobachtungen katalogisiert wurde. Überraschungen sind möglich.

Haben Sie als Wissenschaftler denn trotzdem das Gefühl, sie leisten mit Ihrer Arbeit ewas Sinnvolles für die Menschheit?

Auf jeden Fall. Denn die Möglichkeit, dass einmal eine Gefahr abgewendet werden muss, besteht ja durchaus. Daher finde ich es sehr sinnvoll, an Missionen wie DART und HERA mitzuarbeiten. Das gilt ganz besonders auch für das Frühwarntool für die Auswirkungen eines Impakts, das wir entwickeln. Mit diesem adressieren wir ja vor allem kleinere Objekte, die eine höhere Wahrscheinlichkeit haben, die Erde zu treffen, einfach, weil es viel mehr von ihnen gibt.

Haben Sie persönlich Angst vor einem Einschlag?

Nein.