Befunde der Impaktorforschung

Durch geologische, mineralogische und physikalische Untersuchungen von Einschlagkratern, chemische Analyse von Kometenstaub der Nasa-Sonde Stardust und Auswertung anderer Beobachtungsdaten wurde deutlich, dass der Wissensstand zur Entstehung, Zusammensetzung, Verteilung und Impaktwahrscheinlichkeit von Asteroiden und Kometen noch defizitär ist und der Korrektur, Vertiefung und Erweiterung bedarf. In der Astronomie findet ein Paradigmenwechsel statt, bei dem die Lehrbücher ständig überarbeitet und ergänzt werden.
Zum derzeitigen Wissensstand zählen unter anderem die folgenden Befunde: Fast jedes fünfte der Erde entgegenkommende Objekt nähert sich aus Richtung der Sonne und kann mit Teleskopen nur schwer aufgespürt werden. Der über ein Kilometer durchmessende Asteroid 2020 AV2 umrundet die Sonne innerhalb der Venusbahn. Anfangs 2020 waren 21 Atira-Asteroiden mit Umlaufbahnen innerhalb der Erdbahn bekannt. Im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter wurden bisher über 650.000 Brocken entdeckt. Pallas, nach Ceres und Vesta das drittgrößte bekannte Objekt, dürfte eine impaktreiche Vergangenheit haben. 36 Krater mit über 30 Kilometer Durchmesser beanspruchen etwa zehn Prozent der Oberfläche. Durch die Impakte wurde die annäherungsweise elliptische Umlaufbahn stärker zur Sonne geneigt. Die Bahnneigung beträgt heute fast 35 Grad in Relation zur Sonnenebene, die der übrigen Asteroiden weniger als 30 Grad.
Die Entdeckung einer dünnen Reifschicht auf dem 200 Meter großen Asteroiden Themis stellte die etablierte Lehrmeinung über die Zusammensetzung von Asteroiden in Frage. Zwei Forschergruppen wiesen unabhängig die Eisschicht auf dem Asteroiden nach (Emery et al. 2010; Rivkin et al. 2010). Demnach könnte vergasendes Wasser sich unter der Oberfläche befinden. Der Asteroid Elst-Pizzarro erhielt wegen des Eisanteils eine zweite Bezeichnung als Komet. Wie die typischen Eiskometen zieht er einen Schweif aus Staub und Gas hinter sich her. Zwei Schweife, von denen der längere sich über circa 800.000 Kilometer erstreckt, hat der etwa 3,7 Kilometer große Asteroid (6478) Gault. Beim Asteroiden P/2013 wurden sechs speichenartig verlaufende Schweife entdeckt. Er rotiert so schnell, dass an sechs Stellen Material entweicht. Der aktive Asteroid (2060) Chiron kann angesichts der gasförmigen Hülle als Planetoid, Asteroid und Komet bezeichnet werden.
Die inhomogene Zusammensetzung, die variable Rotation und der Drehmoment des Asteroiden Itokawa signalisieren einem Team um Stephen Lowry (2014) von der University of Kent zufolge, dass das erdnussförmige Objekt durch Kollision zweier Gesteinsbrocken verschiedener Dichte entstanden ist. Dabei erhielt es relativ kompaktes und eher sandiges Material. Die torkelnde Drehbewegung des kartoffelförmigen Asteroiden 4179 Toutatis legt die Vermutung nahe, dass er aus mehr als zwei Objekten zusammengesetzt sein könnte. Manche Stellen sind bis zu 30-fach dichter andere.
2018 untersuchten Raumsonden die Oberflächen der zwei Erdbahnkreuzer Ryugu und Bennu. Auf dem 900 Meter großen Asteroiden Ryugu liegen durchschnittlich etwa 50 mindestens 20 Meter große Blöcke pro Quadratkilometer. Er besteht aus zwei schwärzlichen Gesteinstypen mit geringem Zusammenhalt. Die Oberfläche Bennus ist von Brocken und feinkörnigem Material übersät. Die Dichte beider Asteroiden ähnelt der von Plexiglas, die Oberfläche einer Geröllhalde. Bennu schießt Steine verschiedener Größe ab, die davon fliegen oder auf ihm aufschlagen. Nähert sich einer der Erdatmosphäre, leuchtet er beim Verglühen auf.
Zwischen Jupiter und Neptun sind mehrere tausend über 100 Kilometer große Asteroiden wie Chiron, Nessus und Pholus unterwegs, die als Zentauren bezeichnet werden. Ihre Bahnen verlaufen wegen starker Gravitationskräfte instabil. Daher kann nicht exakt berechnet werden, in welche Richtung ein Zentaur nach einer Kollision fliegt. Dass einer zukünftig die Erde treffen wird, kann nicht ausgeschlossen werden.
Jenseits der Bahn von Neptun, der von Zehntausenden Asteroiden begleitet wird, könnten sich bis zu einer Milliarde Objekte aus der Frühzeit des Sonnensystems aufhalten. Zu den mehr als 35.000 mindestens 100 Kilometer großen Objekten im Kuiper-Gürtel gehören der Zwergplanet Pluto und der etwa 1.200 Kilometer große Asteroid 2001 KX76. Der Eisanteil Transneptuni-scher Objekte ist größer als der im Asteroidengürtel. Daher werden sie als Wasserreservoir des Sonnensystems angesehen. Zu den dunklen Asteroiden zählt das 260 Kilometer große Objekt Euphrosyne. Manche werden vom Saturn so aus der Umlaufbahn geworfen, dass sie in Richtung des inneren Sonnensystems unterwegs sind.
Die Oortsche Wolke im äußersten Sonnensystem könnte Billionen von Eisbrocken beherbergen. Von dort kommende Kometen nähern sich der Sonne auf einer extrem langen Umlaufbahn. Insgesamt könnten im Kuiper-Gürtel und in der Oortschen Wolke bis zu einer Billiarde Objekte beheimatet sein (Chang et al. 2006).
Vor 5,8 Millionen Jahren entstand bei der Kollision eines ungefähr 25 Kilometer großen Asteroiden mit einem etwa drei Kilometer großen Brocken eine neue Asteroiden-Familie mit mindestens 39 Mitgliedern, teilte ein Team um David Nesvorny vom Southwest Research Institute in Boulder 2002 mit. Vor kaum mehr als 5.000 Jahren könnte gemäß einer 2017 veröffentlichen Studie von Forschern um Jessica Agarwal vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung der Asteroid 288P auf Grund der raschen Eigenrotation geteilt worden sein. Heute umkreisen sich zwei je etwa ein Kilometer große Fragmente mit 100 Kilometer Abstand.
Im Herbst 2017 wurde erstmals ein ins Sonnensystem eingedrungenes Objekt aus dem interstellaren Raum gesichtet. Der mindestens 400 Meter große Brocken namens 1I/2017 U1 bzw. 1I/’Oumuamua wurde zunächst als Komet, dann als zigarrenförmiger Asteroid und anschließend wieder als Komet eingestuft. Aus Richtung des Sternbildes Leier kam er quasi von oben auf einer hyperbelartigen Bahn und raste mit 44 Sekundenkilometer in Richtung des Sternbildes Pegasus davon. Zwei Jahre danach drang der interstellare Komet 2I/Borisov mit Schweif ins Sonnensystem ein. Beim Verlassen zerbrach er in mindestens zwei Teile.
Etwas Vergleichbares könnte vor circa 70.000 Jahren im äußeren Sonnensystem passiert sein. Damals könnte laut einer 2018 veröffentlichten Kometenbahnanalyse von Forschern um Carlos de la Fuente Marcos von der Complutense Universität Madrid der Scholz’ Stern mit 15-prozentiger Sonnenmasse durch das äußere Sonnensystem geflogen sein und die Flugbahnen von Kometen in der Oortschen Wolke modifiziert haben.
In den zurückliegenden Jahrhunderten kamen wiederholt Kometen der Erde und anderen Planeten des Sonnensystems ziemlich nahe. Im Jahr 1770 rauschte der Komet D/1770 L1 mit 6-fachem Mondabstand an der Erde vorbei. Für Betrachter war er fünf Mal größer als der Vollmond. Mit einem Drittel der Erde-Mond-Distanz streifte der Komet C/2013 A1 am 19. Oktober 2014 den Mars. Tausende Sternschnuppen fielen pro Stunde nieder.
Die britischen Astronomen Janaki Wickramasinghe von der Universität Cardiff sowie David Asher und Bill Napier vom nordirischen Armagh-Observatorium warnen vor ungefähr 3.000 Dunklen Kometen in den frostigen Außenbereichen des Sonnensystems, die mit der doppelten Geschwindigkeit von Asteroiden herumschwirren. Bei einer Kollision könnte ein Exemplar in Erdrichtung gelenkt werden. Wird es von einem anderen Planeten oder Mond nicht eingefangen oder abgelenkt, könnte es auf der Erde einschlagen. Dunkle Kometen lassen sich mit Teleskopen kaum feststellen und überwachen, da sie die das Sonnenlicht reflektierende Außenschicht verloren haben.
2020 betonte Bill Napier, dass Einschläge zerbrochener Kometen signifikant wahrscheinlicher als Impakte des Kometenkerns sind. Kollidierende Kometen werden in der Regel in Fragmente zerlegt, die je nach Zusammensetzung, Größe, Anflugwinkel und Geschwindigkeit eine Kometenspur bilden, deren Länge innerhalb weniger Tage größer als der Erddurchmesser sein kann. Solche Schwärme von Kometentrümmern seien eine ernste Gefahr für die Menschheit und die übrige Lebenswelt. Kandidaten für einen Trümmer-Impakt seien die Kometen der Jupiter-Familie wie Encke. Sie kämen wegen ihrer Umlaufbahnen von maximal 20 Jahren relativ häufig ins innere Sonnensystem. Von 1995 bis 2020 wurden allein mit Hilfe des Sonnenobservatoriums SOHO 4.000 Kometen entdeckt. Die meisten sind Überreste eines größeren Kometen, der bei Annäherung an die Sonne in kleinere Teile zerbrach. Die Bruchstücke werden als Kreutz-Gruppe bezeichnet. Der Befund untermauert Napiers Veröffentlichung.
Die Form und der Aufbau des Kometen Hartley 2 ähneln dem Asteroiden Itokawa. Bei dem Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko wurde Vergleichbares festgestellt. Nach der 2014 gelungenen Landung des mit einem Minilabor ausgestatteten Roboters Philae der Raumsonde Rosetta auf dem über 500 Millionen Kilometer entfernten Kometen äußerte der Projektleiter Ekkehard Kührt vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, der Komet sei anders als zuvor angenommen. So konnte die Thermalsonde auch bei maximaler Hammerleistung nicht im etwa minus 170 Grad Celsius kalten Kometen verankert werden.
Das Wasser des Kometen ist vermutlich älter als das Alter der Erde. Durch chemische Analyse des an Bord der Raumsonde Rosetta befindlichen Massenspektrometers Rosina wurde festgestellt, dass das Wasserstoffisotopen-Verhältnis von 67P/Churyumov-Gerasimenko mit dem des irdischen Wassers nicht übereinstimmt. Im Dampf des Kometen wurde die dreifache Deuteriummenge nachgewiesen. Daher stammt das Wasser auf der Erde vermutlich nicht von dem Kometentyp. Das Vorhandensein des Edelgases Argon könnte die Jupiter-Familie als Haupt-Wasserlieferanten der Erde ausschließen. Alternativ wird debattiert, ob Asteroiden das Wasser auf die Erde gebracht haben könnten.
Aus statistischer Sicht erfolgte jeder dritte größere Impakt auf der Erde von einem Kometen. Ein Beispiel ist das Sudbury-Becken in Kanada, das derzeit als der zweitgrößte Einschlagkrater gilt und vor etwa 1,8 Milliarden Jahren bei der Annäherung eines circa 15 Kilometer großen Kometen entstanden ist. Reine Eiskometen erzeugen keine Impaktkrater mit zentraler Erhebung wie Asteroiden, sondern werden beim Abbremsen durch die Luftreibung so stark erhitzt, dass sie über der Erde explodieren und Bruchstücke einschlagen.
Fachpersonen wie Morgan Schaller vom Rensselaer Polytechnic Institute in Troy (NY), Dennis Kent vom Paläomagnetik-Labor der Rutgers University in Piscataway (NJ), der Geochemiker Charles Langmuir von der Harvard University und der Planetengeologe Christian Köberl von der Universität Wien wiesen 2016 darauf hin, dass ein Kometen-Impakt die globale Erwärmung vor knapp 56 Millionen Jahren ausgelöst haben könnte. Damals stieg die globale Temperatur von circa 18 auf mindestens 24 Grad Celsius innerhalb von ungefähr 4.000 Jahren. Beim Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum gab es eine Festlanddürre mit starkem Vegetationsrückgang bei steigendem Meeresspiegel.
Indizien für einen kometaren Auslöser sind magnetisierte Tonpartikel in Sedimenten zu Beginn der Erwärmung, verkohltes Holz von Waldbränden in lehmigen Schichten und winzige Glaskügelchen, die bei der Abkühlung geschmolzener Silikate in der Luft entstanden sind und auf den Boden fielen. Direkt unter der Grenzschicht zum Eozän steigt ihre Anzahl sprunghaft an. Falls ein Komet mit der Erde kollidierte, könnte er Kohlendioxid und Methan mitgebracht haben. Alternativ könnte Methan aus dem Meeresboden freigesetzt worden sein oder von einem Vulkanausbruch stammen. Durch einen heftigen Impakt kann die Vulkanaktivität erhöht werden. Das Ereignis wird noch erforscht. Das Alter der Glaskügelchen ist bislang offen.
Vor 28 Millionen Jahren explodierte ein Komet im Südwesten Ägyptens über der Wüste. Die Hitze und die Druckwelle waren so gewaltig, dass unzählige gelbliche Silikatglaspartikel aus geschmolzenem Sand und Kometenmaterie sowie schwarze Gesteinsbröckchen mit Minidiamanten und anderem kohlenstoffhaltigem Material entstanden. Forscher um Jan Kramers von der University of Johannesburg bemerkten 2013 beim Vergleich mit dem Staub des Kometen Wild 2, dass die Wüsten-Proben mehr dem Staub von Kometen als dem von bekannten Asteroiden und irdischen Gesteinen ähneln. Die chemischen Analysen von Edelgasen und Kohlenstoffisotopen verweisen auf einen Kometen, bei dessen Explosion der Wüstenboden vermutlich bis zu 2.000 Grad Celsius aufgeheizt wurde. Das etwa 6.000 Quadratkilometer umfassende Streufeld weist die typischen Eigenschaften einer Kometenkollision auf.
Zu den etwa 190 bisher auf der Erde nachgewiesenen Impaktkratern kommen jene hinzu, deren Spuren zwischenzeitlich verschwunden sind. Laut einer 2015 publizierten Studie der Geologen Stefan Hergarten und Thomas Kenkmann von der Universität Freiburg ereigneten sich vermut-lich noch etwa 340 weitere Impakte, bei denen ein bis sechs Kilometer durchmessende Krater entstanden. Zudem gab es Einschläge, deren Krater in tieferen Bodenschichten liegen und kaum noch auffindbar sind.
Um die erdgeschichtliche Verteilung der Impakte an Hand der bekannten Krater zu ermitteln, untersuchte Coryn Bailer-Jones (2011) vom Max-Planck-Institut für Astronomie die während der vergangenen 400 Millionen Jahre entstandenen Impaktkrater mit mindestens 35 Kilometer Durchmesser. Dabei ergab sich eine weitgehend konstante Häufigkeit mit eventuell geringfügiger Zunahme in den vergangenen 250 Millionen Jahren. Periodische Schwankungen wurden nicht festgestellt. Die geringere Impaktkraterrate von vor 650 bis 300 Millionen Jahren basiert laut Christian Köberl auf einer niedrigeren Einschlaganzahl als später.
Unter Zugrundelegung des Alters von 111 Einschlagkratern auf dem Mond mit über zehn Kilometer Durchmesser, die bei Annahme erdgleicher Impaktwahrscheinlichkeit, aber fehlender Plattentektonik und Gletscherbildung sowie minimaler Erosion als indirekte Hinweise auf die zeitliche Verteilung irdischer Einschläge eingestuft werden können, fanden Forscher um Sara Mazrouei von der Universität Toronto 2019, dass die Impaktrate ab vor 290 Millionen Jahren um das Zwei- bis Dreifache zunahm. Ein Grund könnte eine größere Anzahl von Kollisionen im Asteroidengürtel sein. Dabei kann ein Geschoss in Richtung Erde/Mond gelenkt werden.