Wie Kometen entstanden sind

Eine Videosequenz basierend auf einer Computersimulation zeigt, wie sich zwei eisige Objekte mit einem Durchmesser von rund einem Kilometer nähern. Die beiden Körper stossen mit Fahrradtempo zusammen, rotieren gemeinsam und trennen sich wieder, nachdem der kleinere Körper Materialspuren auf dem grösseren hinterlassen hat. Auf der Zeitskala kann man ablesen, dass das kleinere Objekt nach etwa 14 Stunden auf seiner Bahn durch die gegenseitige Gravitationskraft abgebremst wurde und umkehrt, so dass es einen Tag nach der ersten Kollision zu einem zweiten Zusammenstoss kommt, bei dem sich die beiden Körper zu einem Objekt vereinen, das irgendwie bekannt aussieht: Die Form erinnert an den Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko auf den Bildern der ESA-Raumsonde Rosetta.

100 Simulationen durchgeführt

Die Simulation ist Teil einer Studie, die der Berner Astrophysiker Martin Jutzi zusammen mit seinem US-amerikanischen Kollegen Erik Asphaug in «Science Express» veröffentlicht hat. Mit ihren dreidimensionalen Computersimulationen können die Forscher nachvollziehen, was im frühen Sonnensystem geschah. «Kometen und ihre Vorläufer wurden in den äusseren Planetenregionen gebildet, vermutlich Jahrmillionen vor der Planetenentstehung», erklärt Martin Jutzi. «Die Rekonstruktion der Entstehungsprozesse von Kometen kann entscheidende Informationen über die Anfangsphase der Planetenentstehung liefern, zum Beispiel über die ursprüngliche Grösse der Planetenbausteine, der so genannten Planetesimale oder Kometesimale im äusseren Sonnensystem.» Rund 100 Simulationen, die je nach Kollisionsart eine bis mehrere Wochen benötigten, wurden durchgeführt. Die Studie wurde vom Ambizione-Programm des Schweizerischen Nationalfonds unterstützt und entstand zum Teil im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunkts «PlanetS».

67P/Churyumov-Gerasimenko ist nicht der einzige Komet, der möglicherweise schichtartige Strukturen aufweist und scheinbar aus zwei Objekten besteht. Als die NASA-Sonde Deep Impact 2005 auf 9P/Tempel 1 prallte, konnten ähnliche Schichten nachgewiesen werden – Merkmale, die vermutlich auch auf zwei anderen Kometen zu sehen sind, die von NASA-Missionen besucht wurden. Die Hälfte der bisher von Raumsonden beobachteten Kometenkerne sind offenbar aus zwei Objekten zusammengesetzt, darunter auch die Kometen 103P/Hartley 2 and 19P/Borelly. «Wie und wann diese Merkmale geformt wurden, ist umstritten; dabei hat dies wichtige Auswirkungen auf die Entstehung und Entwicklung des Sonnensystems», sagt Martin Jutzi.

Überreste aus einer ruhigen Anfangsphase

Für ihre Studie verwendeten die Forscher 3D-Kollisionsmodelle mit den Form- und Oberflächen-daten als Randbedingungen, um den Aufbauprozess und dessen Auswirkungen auf die innere Struktur zu verstehen. Tatsächlich können die wichtigsten Merkmale der beobachteten Kometenkerne mit Hilfe der dreidimensionale Computersimulation erklärt werden, indem weiche Kometesimale paarweise mit geringer Geschwindigkeit aufeinandertreffen. Das Modell ist auch im Einklang mit der geringen Dichte der Kometen, denn die Kollisionen komprimieren das Material nur wenig.

«Diese langsamen Kollisionen geschahen vermutlich in der ruhigen Anfangsphase der Planetenentstehung vor rund 4,5 Milliarden Jahren, bevor grosse Körper das System zu zerstörerischen Geschwindigkeiten anregten», erklärt Martin Jutzi. «Dies spricht für die Idee, dass die Kometenkerne ursprüngliche Reste einer frühen Anhäufung kleiner Körper sind.» Der gleiche Prozess könnte aber auch zwischen Trümmerteilen stattgefunden haben, die von viel grösseren Objekten abgespaltet wurden. Zusammen mit künftigen Weltraummissionen, die mit Radar innere Strukturen direkt abbilden, sind die Computersimulationen ein wichtiger Schritt, um aufzuklären, wie die Kometenkerne entstanden sind.