Der reichlich vorhandene Sauerstoff des Kometen 67P ist eher eine Illusion, wie eine neue Studie nahelegt

Als die Raumsonde Rosetta der Europäischen Weltraumorganisation 2015 reichlich molekularen Sauerstoff entdeckte, der aus dem Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P) ausbrach, stellte dies die Wissenschaftler vor ein Rätsel. Sie hatten noch nie einen Kometen gesehen, der Sauerstoff ausstieß, geschweige denn in einer solchen Fülle. Am alarmierendsten waren jedoch die tieferen Implikationen: Dass die Forscher so viel Sauerstoff berücksichtigen mussten, was bedeutete, alles zu überdenken, was sie bereits über die Chemie des frühen Sonnensystems und seine Entstehung zu wissen glaubten.

Eine neue Analyse unter der Leitung der Planetenforscherin Adrienn Luspay-Kuti vom Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) in Laurel, Maryland, zeigt jedoch, dass Rosettas Entdeckung möglicherweise nicht so seltsam ist, wie Wissenschaftler zunächst angenommen haben. Stattdessen deutet es darauf hin, dass der Komet zwei interne Reservoirs hat, die den Anschein erwecken, als wäre mehr Sauerstoff vorhanden, als tatsächlich vorhanden ist.

„Es ist eine Art Illusion“, sagte Luspay-Kuti. „In Wirklichkeit hat der Komet nicht so viel Sauerstoff, zumindest nicht so weit wie seine Entstehung, aber er hat Sauerstoff angesammelt, der in den oberen Schichten des Kometen eingeschlossen wird, der dann auf einmal freigesetzt wird.“

Molekularer Sauerstoff (zwei Sauerstoffatome, die doppelt miteinander verbunden sind) ist zwar auf der Erde weit verbreitet, aber im gesamten Universum ausgesprochen ungewöhnlich. Es bindet schnell an andere Atome und Moleküle, insbesondere an die überall vorkommenden Atome Wasserstoff und Kohlenstoff, sodass Sauerstoff nur in geringen Mengen in nur wenigen Molekülwolken vorkommt. Diese Tatsache führte viele Forscher zu dem Schluss, dass jeglicher Sauerstoff im protosolaren Nebel, der unser Sonnensystem bildete, wahrscheinlich auf ähnliche Weise aufgenommen worden war.

Als Rosetta jedoch feststellte, dass aus dem Kometen 67P Sauerstoff strömte, stellte sich alles auf den Kopf. Niemand hatte zuvor Sauerstoff in einem Kometen gesehen, und als vierthäufigstes Molekül in der hellen Koma des Kometen (nach Wasser, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid) bedurfte es einer Erklärung. Der Sauerstoff schien mit Wasser aus dem Kometen herauszukommen, was viele Forscher zu der Annahme veranlasste, dass der Sauerstoff entweder ursprünglich war – was bedeutet, dass er bei der Geburt des Sonnensystems mit Wasser gebunden und bei seiner späteren Entstehung im Kometen angesammelt wurde – oder aus Wasser gebildet wurde nachdem sich der Komet gebildet hatte.

Aber Luspay-Kuti und ihr Team waren skeptisch. Da sich die Hantelform des Kometen allmählich dreht, ist jede „Glocke“ (oder Halbkugel) an verschiedenen Stellen der Sonne zugewandt, was bedeutet, dass der Komet Jahreszeiten hat, sodass die Sauerstoff-Wasser-Verbindung möglicherweise nicht immer vorhanden ist. In kurzen Zeiträumen könnten flüchtige Stoffe möglicherweise ein- und ausgeschaltet werden, wenn sie mit den Jahreszeiten auftauen und wieder einfrieren.

Jetzt siehst du es, jetzt nicht

Unter Ausnutzung dieser Jahreszeiten untersuchte das Team die molekularen Daten zu Kurz- und Langzeitperioden, kurz bevor die südliche Hemisphäre des Kometen in den Sommer eintrat, und dann noch einmal kurz vor Ende des Sommers. Wie in ihrer Studie berichtet, veröffentlicht am 10. März in Naturastronomiestellte das Team fest, dass die Verbindung zwischen Sauerstoff und Wasser verschwand, als sich die südliche Hemisphäre abwandte und ausreichend weit von der Sonne entfernt war. Die Wassermenge, die vom Kometen austrat, nahm steil ab, sodass der Sauerstoff stattdessen stark mit Kohlendioxid und Kohlenmonoxid verbunden zu sein schien, die der Komet immer noch ausstieß.

„Das sollte unter den zuvor vorgeschlagenen Erklärungen auf keinen Fall möglich sein“, sagte Luspay-Kuti. „Wenn Sauerstoff ursprünglich wäre und bei seiner Bildung an Wasser gebunden wäre, sollte es keine Zeit geben, in der Sauerstoff stark mit Kohlenmonoxid und Kohlendioxid korreliert, aber nicht mit Wasser.“

Das Team schlug stattdessen vor, dass der Sauerstoff des Kometen nicht aus Wasser stammt, sondern aus zwei Reservoirs: eines aus Sauerstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid tief im Inneren des felsigen Kerns des Kometen; und eine flachere Tasche näher an der Oberfläche, wo sich Sauerstoff chemisch mit Wassereismolekülen verbindet.

Die Idee geht so: Ein tiefes Reservoir aus Sauerstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid-Eis gibt ständig Gase ab, weil Sauerstoff, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid bei sehr niedrigen Temperaturen verdampfen. Wenn Sauerstoff aus dem Inneren des Kometen zur Oberfläche strömt, fügt sich ein Teil davon jedoch chemisch in Wassereis (ein Hauptbestandteil des Kometenkerns) ein, um ein zweites, flacheres Sauerstoffreservoir zu bilden. Aber Wassereis verdampft bei einer viel höheren Temperatur als Sauerstoff, sodass der Sauerstoff stecken bleibt, bis die Sonne die Oberfläche ausreichend erhitzt und das Wassereis verdampft.

Die Folge ist, dass sich in diesem flachen Reservoir über lange Zeiträume Sauerstoff ansammeln kann, bis die Kometenoberfläche schließlich so weit erwärmt ist, dass Wassereis verdampft und eine weitaus sauerstoffreichere Wolke freisetzt, als tatsächlich im Kometen vorhanden war.

„Anders ausgedrückt, die in der Kometenkoma gemessenen Sauerstoffmengen spiegeln nicht unbedingt die Menge im Kometenkern wider“, erklärte Luspay-Kuti.

Der Komet würde folglich auch mit den Jahreszeiten zwischen starker Assoziation mit Wasser (wenn die Sonne die Oberfläche erwärmt) und starker Assoziation mit Kohlendioxid und Kohlenmonoxid (wenn diese Oberfläche von der Sonne abgewandt ist und der Komet ausreichend weit entfernt ist) schwanken – genau was Rosetta beobachtet.

„Das ist nicht nur eine Erklärung: Es ist die [only] Erklärung, weil es keine andere Möglichkeit gibt“, sagte Olivier Mousis, ein Planetenwissenschaftler von der französischen Universität Aix-Marseille und Mitautor der Studie. „Wenn Sauerstoff nur von der Oberfläche kommen würde, würden Sie diese von Rosetta beobachteten Trends nicht sehen. „

Die Hauptimplikation, sagte er, sei, dass der Sauerstoff des Kometen 67P tatsächlich Sauerstoff sei, der am Anfang des Sonnensystems angesammelt worden sei. Es ist nur so, dass es nur ein Bruchteil dessen ist, was die Leute gedacht hatten.

Luspay-Kuti sagte, sie wolle das Thema tiefer untersuchen, indem sie die kleineren molekularen Spezies des Kometen wie Methan und Ethan und ihre Korrelation mit molekularem Sauerstoff und anderen wichtigen Spezies untersucht. Sie vermutet, dass dies den Forschern helfen wird, eine bessere Vorstellung von der Art des Eises zu bekommen, in das der Sauerstoff eingebaut wurde.

„Sie müssen noch einen Weg finden, den Sauerstoff in den Kometen einzubauen“, sagte Luspay-Kuti, wenn man bedenkt, dass die Sauerstoffmenge immer noch höher ist als in den meisten Molekülwolken. Sie sagte jedoch, sie erwarte, dass die Mehrheit der Forscher die Studie und ihre Schlussfolgerungen mit einem Seufzer der Erleichterung begrüßen werde.