(c) Manuel Inselsbacher, 1998

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Vorwort

Mein Interesse an der Astronomie ist seit der 6. Klasse ständig gewachsen. Das Zeichnen von Sternenbilder und die Planeten faszinierten mich.

Seit diesem Zeitpunkt an spielte ich mit dem Gedanken eine Fachbereichsarbeit zu schreiben. In der 7. Klasse schließlich stand für mich fest, daß ich eine schreiben werde.

Ein Thema zu wählen stellte sich als schwierig dar, weil es so viele interessante Erscheinungen gibt und schon viele Arbeiten in der Astronomie gegeben hat.

Als der Komet Hale - Bopp 1997 in den Nahbereich der Erde kam und reges Medieninteresse weckte, lag es nahe, eine Fachbereichsarbeit über Kometen zu schreiben.

Mein besonderen Dank gilt dem Physikprofessor Mag. Bruno Putz, der mir ermöglicht hat, die Fachbereichsarbeit zu schreiben.

Inhaltsverzeichnis

1. Entstehung und Herkunft der Kometen
2. Allgemeine Erkenntnisse über Kometen
3. 1. Die Bewegung der Kometen
   2. Der Aufbau

1. Der fest Kern
2. Die Koma
3. Der Kometenschweif

1. 1. Der Einfluß des Sonnenwindes auf Kometen
   2. Physikalische Hintergründe und Zusammenhänge
   3. Methoden zur Datengewinnung über Kometen

3. Fallbeispiele

Die Halley – Armada

Der Jupiter Crash

Hale - Bopp

Einleitung

Ausgehend von einer kurzen Erläuterung der Entstehung und Herkunft der Kometen soll im Hauptteil eine Zusammenfassung über allgemeine Erkenntnisse, die über Kometen gewonnen wurden, stehen. Auch physikalische Hintergründe zum Phänomen der Kometen, sowie wichtige Datenmessungsmethoden werden kurz beschrieben. Weiters soll die Fachbereichsarbeit auch konkrete Fallbeispiele der Vergangenheit darbieten.

1. Entstehung und Herkunft der Kometen

Vor 4,6 Millionen Jahren erreichte die interstellare Materie eine Dichte, die groß genug war, um einen Gravitationskollaps einzuleiten. Aufgrund der Drehimpulserhaltung und der inneren Reibung bildete sich eine rotierende Scheibe, der solare Nebel. Durch Verdichtung entstanden aus ihm Sonne und Planeten.

Man nimmt an, daß die Kometen natürliche Nebenprodukte der Prozesse sind, die zur Bildung des Sonnensystems geführt haben. Die Sonne ist durch die selben Prozesse, die zur Bildung anderer Sterne in unserer gesamten Galaxis verantwortlich sind, entstanden. In unserer Galaxis liegen Wolken aus Gas und Staub (Nebel) dicht verteilt. Durch einen geringen Anstieg der Dichte kollabiert sie unter dem Einfluß ihrer eigenen Gravitation. Die Spiralarme unserer Galaxis sind in Wirklichkeit spiralförmige Dichtewellen und sie bewegen sich langsam durch die interstellare Materie. Beobachtungen zeigen, daß die jüngsten Sterne unserer Galaxis dort liegen, wo sich zur Zeit die Spiralarme befinden. Das ist ein Zeichen dafür, daß die Erhöhung der Dichte durch die vorbeilaufende Dichtewelle die Entstehung dieser Sterne ausgelöst hat.

Während des Kollapses bildet sich ein Zentralkörper aus, der von einer Scheibe umgeben ist. Im Verlauf des Kollapses bilden sich lockere Eisschichten die Staubkörner. Während die Wolke schrumpft, stoßen die entstandenen Eisklümpchen immer häufiger zusammen. Natürlich hängen sie sich dabei aneinander und so bilden sich größere Körper. Schließlich bildet sich aus der Wolke eine Zentralmasse, aus der die Sonne entsteht, und eine große scheibenförmige Ansammlung fester Körper. Aus dieser Ansammlung bilden sich Planeten, Kometen, Asteroiden und andere interplanetare Materialien. Die Wolke hat einen Drehimpuls besessen, was zur Folge hat, daß das neuentstandene System rotiert. Dieser Drehimpuls ist der Grund dafür, daß die Planeten und ihre Monde (fast alle) in derselben Richtung kreisen.

Es wird angenommen, daß die Staubkörner in der Scheibe eine Kern - Mantel - Struktur besaßen, wobei der Kern hitzebeständig ist und der Mantel aus Eis ist. Im inneren Teil

des Sonnensystems sublimiert der Eismantel durch die Hitze der entstandenen Sonne und die zusammengeballten Staubkörner bildeten Planetesimale und schließlich Planeten. In großer Entfernung von der Sonne konnten die vereisten Staubkörner als Kondensationskeime für die Bildung von Eiskörper dienen. Diese Körper wachsen dann durch weitere Kondensation und Zusammenballung zu Kometesimalen, den Bausteinen der Kometen, und den äußeren Planeten an.

Die Frage, in welcher Entfernung von der Sonne die Kometen entstanden sind, ist noch offen geblieben. Wenn S₂ gebildet oder vorhanden ist, müssen die Temperaturen bei 15K liegen oder darunter. Außerdem dürfen die Teilchen nur mit geringer Geschwindigkeit aufeinanderprallen und die effektive Wärmeleitfähigkeit des Kerns muß gering sein, um die inneren Schichten zu isolieren. Damit es S₂ überhaupt geben kann, muß sich der Entstehungsort mindestens 1000 Astronomische Einheit (AE) von der Sonne entfernt bilden. Man nimmt an, daß ein Komet nach seiner Entstehung, noch bevor er den harten Umweltbedingungen des inneren Sonnensystems ausgesetzt wird, fast keine Entwicklung erfährt. Trotzdem kann er mit anderen Kometen zusammenstoßen. Seine Oberfläche ist kosmischen Strahlen und der Strahlung vorbeiziehender Sterne und Supernovae ausgesetzt. Entsteht das S₂ durch Beschuß von kosmischen Strahlen, so könnte sich das Entstehungsgebiet näher an der Sonne befinden, im Falle unseres Sonnensystems in der Uranus - Neptun - Region. Hätten sich die Kometen in der Nähe von Jupiter gebildet, so wären die meisten von Jupiter stark gestört worden und aus dem Sonnensystem geschleudert worden. Daher könnte das Entstehungsgebiet irgendwo zwischen der Uranus - Neptun - Region und weit draußen bis jenseits von 1000 AE gelegen haben.

Der Großteil der kurzperiodischen Kometen stammen aus dem sogenannten Kuiper - Gürtel. Es ist eine etwa 30 AE entfernte flache Scheibe jenseits der Neptunbahn. Mit Hilfe moderner Teleskope kann man Kometen mit Durchmessern von bis zu 100 - 400 km beobachten. Sie können auch beobachtet werden, wenn ihre Bahn nicht ins Innere

des Sonnensystems führt. Hochrechnungen der Wissenschaftler kamen zu dem Ergebnis, daß etwa 10 Milliarden normale Kometenkerne und ca. 50 000 große Kuiper - Gürtel - Objekte vorhanden sein müssen. Die gesamte Masse der Kuiper - Gürtel - Objekte betragen etwas mehr als ein Zehntel der Erdmasse.

In der oortschen Wolke sind rund 10 mal mehr Kometenkerne als im Kuiper - Gürtel. Die Kernzusammenstöße zeigen, daß der Kuiper - Gürtel kein stabiles Gebilde ist. Die Kometen zerbrechen sich gegenseitig und lenken sich ab. So gelangen immer wieder einige in die Nähe der großen Planeten oder sogar zur Sonne.

Die Forscher glauben, daß sich die Kometen dort gebildet haben, wo heute die großen Planeten enden. An dieser Stelle befand sich in Urzeiten der äußere Bereich der sogenannten protoplanetaren Scheibe. Die Kometen, die weiter innen entstanden, blieben schließlich in der Oortschen Wolke, und jenseits von Neptun bildet sich der Kuiper - Gürtel.

Die Oortsche Kometenwolke ist eine dicke Kugelschale, die sich von 20 000 - 100 000 AE um die Sonne erstreckt und aus der die langperiodischen Kometen kommen.

Einen wichtigen, heute akzeptierten Schritt zur Beantwortung der Frage, wo die Kometen ihren genauen Ursprung haben, hat der holländische Astronom Jan Hendrik Oort gemacht. Er trägt die besondere Ehre, daß 100 Milliarden Kometen nach ihm benannt sind.

Die langperiodischen Kometen sind nur einen kurzen Teil ihrer Umlaufzeit in der Nähe der Sonne, wobei ihre Apheldistanz zwischen 50 000 und 150 000 AE liegt. Daraus schloß Oort, daß im Raum viele inaktive Kometen vorhanden sind, die aus einer Kometenwolke entweichen. Die Wolke befindet sich in einer Entfernung zwischen

50 000 und 150 000 AE von der Sonne. Dort bewegen sich die Kometen mit einer Geschwindigkeit von nur einigen cm/s. Oort schätzte die Anzahl der Kometen auf etwa

100 Milliarden. Die Gesamtmasse beträgt fast die zehnfachen Massen der Erde. Der äußere Rand der oortschen Wolke reicht fast bis zum nächsten Stern. Wie Oort zeigte, dringt etwa in allen 10 Millionen Jahren ein Stern mit bis zu 1,4 Sonnenmasse in die Wolke ein und nähert sich der Sonne bis auf 50 000 AE. Durch die enorm starke Gravitationskraft beeinflußt der Stern die Kometen. Einige Kometen werden in den interstellaren Raum geschleudert und kommen nie wieder zurück. Einige stürzen in das Innere des Planetensystems, wobei ein Teil von ihnen durch die massereichen Planeten in der Nähe der Sonne abgelenkt werden. Dadurch werden sie nach einigen Umlaufzeiten zu kurzperiodischen Kometen. Wenn die Gesamtzahl der Kometen tatsächlich zwischen 100 Milliarden und 1 Billion beträgt, dann kann die oortsche Hypothese die beobachtete Anzahl langperiodischer Kometen erklären. Wahrscheinlich sind die Kometen zusammen mit den Planeten in einer proplanetaren Scheiben entstanden. Vielleicht ist die Urmaterie in unveränderten Zusammensetzung noch in den Kometenkernen enthalten.

2.Allgemeine Erkenntnisse über Kometen

2.1 Die Bewegung der Kometen

Die Grundlage um die Bewegungen der Kometen zu verstehen, ist die Anwendung der Keplergesetze und der Newtonschen Gravitationsgesetze.

Die drei grundlegenden Keplergesetze lauten:

1.  
2. Alle Planeten bzw. alle Körper im Sonnensystem bewegen sich auf elliptischen Bahnen, in deren Brennpunkte die Sonne steht.
3.  
4. Der von der Sonne zum Planeten gezogene Fahrstrahl überstreicht in gleichen Zeiten gleich große Flächen.
5.  
6. Die Quadrate der Umlaufzeiten verhalten sich wie die Kuben der großen Bahnhalbachsen.

Das Newtonsche Gravitationsgesetz gilt streng nur für punktförmige Objekte und für kugelförmige Körper im Außenraum.

Die Formel lautet:

M,m.......Massen in kg

r.............Abstand in m

G............Gravitationskonstante

Bewegt sich eine sehr kleine Masse um eine sehr große Masse (=> M>>m), dann fällt der Massenschwerpunkt von m praktisch mit dem der Masse M zusammen.

Bei einer genauen Gliederung kann man die Kometen in 4 Gruppen teilen:

1.  
2. kurzperiodische mit Orbitzeiten von 3-25 Jahren
3.  
4. mittelperiodische Kometen mit Umlaufzeiten von 25- 200 Jahren
5.  
6. langperiodische mit Intervallen von 200- 1Mio. Jahren
7.  
8. sehr langperiodische Kometen mit hyperbolischen Bahnen, die praktisch nur einmal in Sonnennähe kommen;(vgl.: Engelbert 1990, S.240)

Es ist noch immer nicht ganz geklärt, ob die Kometen tatsächlich zum Sonnensystem gehören oder ob sie nur als Vagabunden zwischen den Fixsternen anzusehen sind.

Da aber Hyperbel und Parabel in das Unendliche reichen, ist damit klar gestellt, daß die Kometen im weitesten Sinne zu unserem eigenen Sonnensystem gehören. Die Kometenbahnen werden oft erst durch die Gravitation größerer Planeten, vor allem durch Jupiter, beeinflußt. Durch diese Beeinflussung geraten die Kometen in das Innere unseres Sonnensystems. Außerdem kann dadurch ein Komet, der sich auf einer lang gestreckten Ellipsenbahn bewegt auf eine kurzperiodische Bahn gelenkt werden. In Einzelfällen kann ein Komet von einem Planeten eingefangen werden und es entstehen sogenannte Kometenfamilien.

Ein Beispiel dafür ist der Komet Shoemakers - Levy 9, der von Jupiter eingefangen worden ist und schlußendlich auf den Planeten gestürzt. Die Jupiterfamilie besitzt fast 100 Kometen, deren Umlaufzeiten im Bereich zwischen 5 und 8 Jahren liegen.

Der Komet kann sich also auf einer Ellipsenbahn bewegen. Das 2. Kepler – Gesetzt sagt, daß sich Planeten auf Ellipsenbahnen bewegen, in deren Brennpunkt die Sonne steht. Bei den Kometen ist dies auch der Fall, bis sie von einem Planeten eingefangen werden und um ihn kreisen. Die Geschwindigkeit hängt natürlich von der Nähe zur Sonne ab, d . h., daß die Geschwindigkeit im Perihel größer als im Aphel ist.

Durch die Bahnstörung kommt es meist zu einer Verkleinerung der Bahnneigung der Kometen, das heißt, daß die Bahnebene des Kometen näher an die Planeten heranrückt.

Früher glaubte man, das durch die Gravitationsstörungen der massereichen Planeten aus dem Großteil der langperiodischen Kometen die kurzperiodischen Kometen entstanden sind. Verschiedenste Arbeiten über die Himmelsmechanik zeigten, daß damit nicht die Verteilung der kurzperiodischen Kometen erklärt werden kann. Es müßte also einen Bereich jenseits der Neptunbahn geben, wo Objekte existieren, die durch die Beeinflussung der großen Planeten zu kurzperiodischen Kometen entwickelt werden.

Damit die Kometenbahnen bzw. die Kometen selbst überhaupt beobachtet werden können, müssen sie in den inneren Bereich unseres Planetensystems vordringen, also wenigstens in den inneren Raum von Jupiter. Trotzdem ist es dann immer noch sehr schwierig ihre Bahn zu bestimmen bzw. zu berechnen, weil man meistens nur ein kurzes Stück ihrer Bahn erfassen kann.

Bei neuentdeckten Kometen geht man der Einfachheit immer zuerst davon aus, daß ihre Bahn nur ein Stück einer Parabel ist. So werden parabolische Bahnelemente berechnet und erst später kann entschieden werden, ob es sich statt dessen um eine Ellipse oder Hyperbel handelt. Klarerweise sind die Bahnelemente von Kometen mit kurzperiodischen Ellipsen bekannt, weil der Komet natürlich besser und öfters beobachtet werden kann.

Wenn man die Statistiken betrachtet, dann kann man auf eine enorme Anzahl von Parabelbahnen verweisen, die auf die kurze Beobachtbarkeit zurückzuführen ist. Die Zahl der Parabelbahnen wird niedriger, je größer der durchbeobachtete Bahnbogen ist. Um die Kometenbahn genau eruieren zu können, benötigt man 6 Bahnelemente.

Zwei der 6 Elemente beschreiben die Form und die Größe der Bahn. Die Entfernung des sonnennächsten Bahnpunktes gibt die Periheldistanz q an. Die Größe e (=Exzentrizität) und q legen damit die Form und Größe der Bahn fest. Drei weitere Elemente, nämlich die 3 Winkeln i, W , W , beschreiben die Lage der Ellipse im Raum, wobei sie aber relativ zu einem Bezugssystem angegeben werden. Einerseits sind sie relativ zur Erdbahnebene (=Ekliptik) und andererseits zum Frühlingspunkt.

i ist die Inklination und gibt die Neigung der Kometenbahn gegenüber der Ekliptik an; W ist die Länge des aufsteigenden Knotens => ist der Abstand vom Frühlingspunkt;

W ist der Winkelabstand des Knotens vom Perihel;

Das letzte Element ist die Angabe der Perihelzeit T. Das sechste Element gibt eben genau den Zeitpunkt an, bei dem sich der Komet der Sonne am nächsten befindet.

Diese sechs Elemente können die Bahn eines Kometen nur dann genau beschreiben, wenn es sich dabei um eine Ellipse handelt. Aber wie bereits erwähnt sind Kometenbahnen keine exakten Ellipsen, weil sie durch die Gravitation der Planeten und durch nichtgravitative Kräfte beeinflußt werden.

Die nichtgravitativen Kräfte sind eine wesentliche Störkraft, welche die Bewegung der Kometen beeinflußt. Whipple erkannte als erster, daß die Jets den Kometen beeinflussen. Die Jets sind auch ein wesentliches Argument, daß der Kometenkern fest ist. Ein nicht rotierender Kometenkern, bei dem die Ausgasung auf der Tagesseite erfolgt, wird durch eine Kraft von Sonnenrichtung beeinflußt. Diese Kraft reduziert teilweise die gravitative Anziehungskraft der Sonne. Somit wird die Kometenbahn wesentlich verändert. Beim realen Fall des rotierenden Kerns wird angenommen, daß die stärkste Ausgasung nicht auf der Tages-, sondern auf der Nachmittagsseite erfolgt. Die Rotationsachse muß nicht senkrecht auf der Kometenbahnebene stehen, das heißt, daß trotzdem eine Kraftkomponente senkrecht zur Bahnebene auftritt. Außerdem ist eine tangentiale Kraft vorhanden, die eben parallel oder antiparallel zur Bewegungsrichtung ist. Bei einer prograden Rotation bewirkt die tangentiale Kraft eine Beschleunigung des Kometen. Dies führt zwangsläufig zu einer Vergrößerung der Umlaufzeit. Bei einer retrograden Rotation tritt der umgekehrte Effekt auf. Daher ist die Periodenveränderung der Kometen ein geeignetes Mittel, um die nichtgravitativen Kräfte zu untersuchen. Vor einigen Jahren hat man angenommen, daß der Einfluß der nichtgravitativen Kräfte auf die Bewegung der Kometen besser verstanden werden kann, wenn Kometen "Schmutzige Schneebälle" sind. Berücksichtigt man die nichtgravitativen Kräfte, so kann man aus dem Vergleich der beobachteten und berechneten Positionen die Masse eines Kometenkerns abschätzen.

Die Wichtigkeit der Kometenbahn kann mit einem Lebenslauf eines Kometen unterstrichen werden. Sie ist wichtig, weil das Ausmaß der visuellen Erscheinung "Komet" von der Nähe zur Sonne abhängig ist.

Die Geschichte eines jeden Kometen beginnt weit draußen im Universum, man könnte sagen, am Rande des Sonnensystems. Im Grunde genommen bewegt sich der Komet in unermeßlichen Räumen nicht schneller als ein Fußgänger.

Kometen bewegen sich weit außerhalb der Plantenbahnen, ja sie können sich so weit im All befinden, daß sie durch ein Schwerefeld eines Fixsternes beeinflußt werden. Trotzdem ist die auf ihn einwirkende Anziehung der Sonne die stärkste Kraft, wodurch sich der Komet langsam aber doch der Sonne entgegen bewegt. Nach Erreichen der äußeren Planeten bewegt sich der Komet je schneller , desto näher er der Sonne kommt. Auf der Höhe der Jupiterbahn macht sich schon die Licht - und Teilchenstrahlung an seiner Oberfläche bemerkbar. Die gefrorenen Gase verflüchtigen sich und bilden eine riesengroße Gashülle (einige zehntausend km) um den Kometenkern. Bereits an dieser Stelle macht sich der Komet als ein Nebelfleck bemerkbar, der sich aber durch seine Bewegung durch andere Himmelskörper unterscheidet. Zusammen mit den Gasen werden auch die eingeschlossen Teilchen frei. Durch den Einfluß der Schwerkraft und des Lichtdruckes bewegen sich die Staubteilchen und bilden den Staubschweif. Der Kometenkopf wird durch eine Hülle von elektrisch neutralen Molekülen umgeben. Der Gasschweif wird durch die elektrisch geladenen Teilchen gebildet, die vom Sonnenwind mitgerissen werden. Die größeren festeren Bestandteile bleiben zuerst im Kopf zurück, aber mit der Zeit entfernen sie sich weiter vom Kern. Am prachtvollsten ist der Komet in Sonnennähe, weil dort die Gasproduktion am stärksten ist und der Schweif bis zu einigen 100 Millionen km lang werden kann. Mit steigender Entfernung von der Sonne wird die Gasproduktion immer schwächer, bis der Komet wieder ein kalter und inaktiver Körper geworden ist. Bei diesem Schauspiel hat der Komet nur einen winzigen Teil seiner Masse verloren. Nach ungewisser Zeit kommt er wieder zurück und das Schauspiel kann von Neuem beginnen. Es kann auch vorkommen, daß Kometen in die Sonne oder in andere Planeten stürzen.(vgl.: Kippenhan1990, S. 172-173)

2.2 Der Aufbau des Kometen

Kometen sind die aktivsten Körper des Sonnensystems und man bezeichnet sie deshalb als Vagabunden zwischen den Welten. Die Kometen sind Erscheinungen, die immer wieder kommen.

Der Aufbau eines Kometen wird manchmal unterschiedlich dargestellt, aber unterscheidet sich fast sich nicht. Bei der gängigsten Unterteilung besteht der Komet aus vier Teilen.

Der hellste Teil ist der Kopf, der durch die Koma und den Kern gebildet wird. Als Koma bezeichnet man den Kopf ohne scheinbaren Kern. Er wird auch als Nukleus bezeichnet. Nicht zu vergessen ist der prachtvollste Teil des Kometen, der Schweif.

a) Der feste Kern

Der Kometenkern dient als Quelle und Ursache für jede Kometenerscheinung, d.h. er ist der Ausgangspunkt aller Prozesse und Phänomene. Bis vor einigen Jahren war über den inneren Aufbau eines Kometen und dessen chemische Zusammensetzung wenig bekannt. Der Grund dafür war, daß der Kern sehr klein ist und durch die vollständige Überstrahlung durch sein helles Koma nicht beobachtbar ist. Durch Koma - und Schweifbeobachtungen diverser Kometen sind die Zerfallsprodukte der Moleküle bekannt. Aufgrund dieser ist es möglich, auf die ungefähre chemische Zusammensetzung des Kern zurückzuschließen.

Seit 1985 und 1986 ist die Natur des Kometen Halley sehr gut bekannt. In diesen Jahren sind einige Raumsonden zu einem Treff mit Halley ausgesendet worden. Der Erfolg war enorm, weil Nahaufnahmen des Kerns gemacht werden konnten und die Wissenschaftler eine Fülle von Informationen über die Bestandteile eines Kometen erhielten. Weil Halley der einzige Komet ist, über den große Mengen an Informationen vorhanden sind, beziehen sich die Daten großteils auf Halley.

Trotz dieses Erfolges gibt es heutzutage noch immer kein allgemeines akzeptiertes Modell für Kometenkerne. Natürlich gibt es eine Fülle von Theorien und Modellen über die Zusammensetzung der Kometenkerne. Das wohl bekannteste Modell ist das Modell vom schmutzigen Schneeball von Whipple.

Das von dem amerikanischen Astrophysiker Fred Whipple vor 37 Jahren entwickelte Modell vom schmutzigen Schneeball, wird auch als Eis - Konglomerat - Modell bezeichnet. Das Whipplesche Modell wurde in seinen wesentlichen Aussagen durch die Kometenmission 1985/86 bestätigt. Es müssen aber trotzdem Modifikationen und Verbesserungen durchgeführt werden.

Der Aufbau des Kerns

Laut Whipple besteht der Kern aus unterschiedlichsten Eisen, in denen Staubteilchen und lockere Brocken von Silikatgesteinen vom Typ der choligen Chondrite eingebettet sind.

Bei der Annäherung des Kometen an die Sonne sublimiert das Eis des Kerns und erzeugt so die Gase, welche die Koma und den Schweif bilden. Während der Sublimation werden auch die eingelagerten Staubpartikeln freigesetzt. Es sublimiert aber nur das Eis der Oberflächenschichten. Der Rest der äußeren Schichten bleibt erhalten und isoliert den Hauptteil des Kerns. Weil eben nur das Material der Oberflächenschichten sublimiert wird, dauert es sehr lange bis sich der Komet auflöst.

Der Kometenkern ist mit einer sehr dünnen Kruste aus fast schwarzem Material bedeckt. An verschiedenen Stellen weist die Kruste Risse bzw. Löcher auf, durch die das helle Innere des Kerns zum Vorschein kommt. Wahrscheinlich besteht die schwarze Kruste aus dunklen Silikaten unterschiedlicher Natur, wobei auch Schichtgittersilikate sehr wichtig sind. Außerdem enthält das Silikatmaterial eine beträchtliche Menge an Kohlenstoff und Kohlenwasserstoff. Das Innere des Kerns besteht, wie Whipple behauptet, vorwiegend aus Wassereis mit eingelagerten anorganischen und organischen Verbindungen.

Man unterscheidet zwischen Mutter- und Tochtermoleküle. Es wird angenommen, daß die Muttermoleküle sich in gefrorenem Zustand auf dem Kern selbst befinden. Neben Wasser enthält der Kern auch weitere einfache Moleküle wie z.B. Ammoniak und Methan, aber auch komplexere organische Moleküle. Manchmal ist es gelungen einfachere Muttermoleküle nachzuweisen. Dafür sind Beobachtungen in Infrarot - und Radiowellenbereich sehr wichtig. Nach dem die Muttermoleküle den schützenden Kern verlassen, wird der Großteil von ihnen durch die Sonnenstrahlung in Bruchstücke zerschlagen. Die wahre Chemie muß aus den Tochtermolekülen erschlossen werden.

Bei verbesserten Kernmodellen wird davon ausgegangen, das Substanzen wie Methan und Ammoniak sowie andere Moleküle und Atome in den Hohlräumen eines Klathrat- Hydrats gefangen sind. Auch andere organische Moleküle wie Formaldehyd, Isocyansäure und Ameisensäure, sind im Eis der Kerne gefangen. Die gerade genannten Moleküle kann man nur schwer beobachten, weil sie gleich nach ihrer Freisetzung in den Weltraum von Ultraviolettphotonen der Sonne in einfache Elemente wie Cyan - und Hydroxyl dissoziiert werden. Dieser Prozeß, bei dem die Tochtermoleküle entstehen, wird Photodissation genannt.

Ein weiterer sehr wichtiger Bestandteil ist der Kometenstaub, der aus sogenannten Kern - Mantel - Teilchen besteht. Diese Teilchen besitzen einen mineralischen, meist silikatischen Kern, der von einem organischen Mantel und Eis umgeben ist.

Die Staubteilchen kann man in drei Kategorien unterteilen:

1.  
2. Kleine Teilchen, die den Staubschweif der Kometen bilden. Sie sind einem starken Strahlungsdruck ausgesetzt und werden aus dem Sonnensystem hinausgeblasen.
3.  
4. Die mittelgroßen Teilchen sind wie die kleinen Teilchen dem Strahlungsdruck ausgesetzt, den sie nicht so stark spüren, daß sie aus dem Sonnensystem geblasen werden. Sie nehmen relativ langlebige Umlaufbahnen um die Sonne ein. Durch das Reflektieren des Sonnenlichtes erzeugen sie das Zodiakallicht. Wenn sie in die obere Erdatmosphäre kommen, können sie eingesammelt werden.
5.  
6. Auf die großen Teilchen hat der Strahlungsdruck keinen Einfluß und sie bewegen sich auf der selben Bahn wie der Komet. Durch Gravitationsstörungen verteilen sich die Teilchen entlang der Bahn und bilden Meteoritenströme.

Die Staubteilchen, die in der Erdatmosphäre aufgesammelt werden können, sind die sogenannten Brownlee - Teilchen. Diese ziemlich großen, komplexen Teilchen haben eine geringe Dichte von etwa 1g/cm³ und sind von Hohlräumen durchsetzt. Sie entsprechen elementanalytisch der silikatischen Komponente der Kometenstaubteilchen und sind wahrscheinlich durch Erosion der Kruste eines Kometenkerns entstanden.

Der Ausgangspunkt von vielen Erscheinungen, wie z.B. Schweifablösungen oder Ausbrüche, ist der Kern.

Bei einem Ausbruch steigt die Helligkeit der Kometen sehr schnell an. In manchen Fällen beträgt sie das Hundertfache der normalen Helligkeit. Eine logische Erklärung dafür wäre, daß, je näher sich der Komet bei der Sonne befindet, desto häufiger müßten die Ausbrüche stattfinden, da der Komet einer enormen Hitze ausgesetzt ist. In Wirklichkeit ist diese Annahme falsch, weil sie durch Beobachtungen von Ausbrüchen bei einer großen Entfernung von der Sonne widerlegt wird. Ein gutes Beispiel dafür ist der Komet Schwassman - Wachmann I, weil er der Sonne nie näher als 5 AE kommt. Trotzdem hat der Komet schon hunderte Ausbrüche gehabt. Bei den Ausbrüchen

konnte beobachtet werden, daß sich eine Materiehülle mit einer Geschwindigkeit von einigen 100m/s um den Kern ausbreitet. Der Prozeß, der für den Ausbruch verantwortlich ist, läßt eine Staubmenge vom Kern aus explosionsartig anwachsen. Bisher gibt es keine Erklärung für diesen Prozeß, aber es existieren schon einige Theorien. Eine plausible Erklärung ist, daß Hohlräume innerhalb des Kernes vorhanden sind, in denen sich mit der Zeit Gastaschen bilden. Wenn der Druck des Gases zu hoch ist, dann zerreißt es die Tasche und zusammen mit dem freigesetztem Gas wird auch Staub mitgerissen.

Größe des Kerns

Die Bestimmung der Größe des Kerns erwies sich bis jetzt mit den herkömmlich Mittel sehr schwierig. Die direkten visuellen und fotografischen Methoden genügten für die genaue Bestimmung nicht. Außerdem nähert sich der Kern auf seiner Umlaufbahn der Erde nur einige Millionen km, was natürlich zu weit weg ist. Ein weiteres Problem ist, daß der kleine Kern von der hellen Koma überstrahlt wird und außerdem die Kometenoberfläche relativ dunkel ist. Durch diese Gründe bleibt der Kometenkern für bodengebundene Methoden unsichtbar. Mit Hilfe der Interferometrie und der direkten Radarmethode glaubte man auch von der Erdoberfläche aus mehr über den Kometenkern zu erfahren.

Die Masse und Dichte des Kerns

Bis heute ist es niemanden gelungen die Masse eines Kometen aus Messungen zu bestimmen. Dies gelang auch nicht im Falle von Halley, obwohl man ihn sehr gut untersuchen konnte. Die herkömmliche Methode zur Abschätzung der Masse besteht darin, eine für einen großen Eisbrocken geeignete Dichte anzunehmen und Abmessungen für den Kern einzusetzen, die man nach einer der verschiedenen Methoden bestimmt hat.

Die mittlere Massendichte liegt bei 0,4g/cm³.

Der Radius des Kerns

Um den Radius abschätzen zu können, muß zuerst ungefähr die Größe der reflektierenden Oberfläche des Kerns bestimmt werden. Dies folgt aus der Kenntnis der scheinbaren Helligkeit des Kerns. Das ist aber erst möglich, wenn man dessen Entfernung zur Erde, den Phasenwinkel und die optischen Oberflächeneigenschaften kennt. Die Abschätzungen sind sehr ungenau, weil die Kernhelligkeit und seine Albedo nur sehr ungenau bekannt sind. Aus den Berechnungen schließt man, daß für kurzperiodische Kometen die Radien im Bereich von einigen km und für langperiodischen Kometen bei einigen zehn Kilometern liegen.

Die Oberfläche des Kerns

Die Oberfläche des Kerns ist ständig der kosmischen Strahlung und, während der Vorbeiflüge an der Sonne, dem Sonnenwind ausgesetzt. Dadurch erwärmt und verändert sich die Oberfläche mehr oder weniger stark. Nicht die ganze von der Sonne beschienene Oberfläche des Kerns setzt Gase und Staub frei, sondern nur einzelne Bereiche, die sogenannten aktiven Zonen. Hier entweichen die Stoffe in Form von sogenannten Jets. Der aktive Bereich ist nur ein kleiner Teil der Oberfläche und der übrige Teil der Oberfläche ist eine extrem dunkle, inaktive und mehr oder weniger feste Staubschicht. Die Kometenkerne haben keine radiale Strukturierung, sondern sind im Mittel homogen, was zum Beispiel daraus folgt, daß die Emissionsspektren (der Koma) von Kometen und auch das "Kontinuum zu Emissionsverhältnis" in den Spektren für alte und neue Kometen sehr ähnlich sind. Eine radiale Strukturierung würde hier zu Unterschieden führen, da bei den alten Kometen infolge ihrer vielen Periheldurchgänge bereits dicke Schichten der ehemaligen Oberfläche abgetragen wurden. Die Homogenität gilt wahrscheinlich nur bis zu einer gewissen Skalenlänge, da die Jets und

expandierenden Halos auf lokale Inhomogenitäten an der Oberfläche hinweisen. Die aktiven Gebiete konnten mit direkten Oberflächenstrukturen wie Gräben, Kratern oder Erhöhungen nicht eindeutig in Zusammenhang gebracht werden.

Die Rotation des Kerns

Die Rotation ist eine weit verbreitete Eigenschaft von Himmelskörpern, wie z.B. Asteroiden, Monde und Planeten. Darum stellt sich die Frage, ob Kometen rotieren und ob die Rotation wichtige Konsequenzen hätte. Die Spiralstrukturen in der Koma deuten auf eine Rotation hin. Gebündelte Strömungen aus staubhaltigem Material, die vom Kern aufsteigen, werden durch die Rotation zu Spiralen verdreht. Einen wenig direkten Hinweis auf die Rotation der Kerne liefern die sogenannten nichtgravitativen Kräfte. Einige Kometen, wie z.B. Halley und Encke zeigen sogenannte säkulare Beschleunigungen. Der Mathematiker Johann Franz Encke stellte fest, das sich die Umlaufperiode des Kometen Encke bei jedem Umlauf um rund 0,1 Tage verkürzte, obwohl er die Bewegung des Kometen bezüglich jeder bekannten Störung durch Planeten korrigiert hatte.

Es liegt nahe, die Rotationseigenschaften vom Kern einen wesentlichen Einfluß auf die physikalischen Prozesse haben, die sich an der Oberfläche und im Inneren des Kerns abspielen, weil ja die Erwärmung der Oberfläche vom Sonnenstand abhängig ist. Die Erwärmung ist entscheidend für das Ausgasen und somit für das Phänomen Komet.

b) Die Koma (siehe Abb. 9)

Die Koma und der Kern bilden zusammen den Kopf des Kometen. Die Koma ist eine mehr oder weniger sphärische Wolke aus Staub und neutralen Molekülen, die den Kern umgibt. Es wird vermutet, daß die Helligkeit der Koma mit wachsendem Abstand vom Kern abnimmt. Eine typische Koma besitzt keinen eigenen Rand. Dadurch kann die Größe der Koma nur sehr schwer gemessen werden. Aber man schätzt den Radius einer Koma liegt häufig bei etwa 10⁵ km, schwankt aber zwischen 10⁵ und 10⁶ km. Die Größe hängt offenbar von der Entfernung des Kometen zur Sonne ab. Eine wahrzunehmende Koma beginnt sich erst dann zu entwickeln, wenn ein Komet drei oder vier Astronomische Einheiten (AE) von der Sonne entfernt ist. Während sich ein Komet der Sonne nähert, wächst seine Koma weiter an. Die maximale Größe erreicht die Koma bei einer Entfernung von 1,5 - 2 AE. Wenn der Komet der Sonne noch näher kommt, schrumpft die Koma gewöhnlich wieder. Da das Material der Koma aus dem Kern sublimiert, müßte der Sublimationsprozeß durch die Hitze der Sonne ständig verstärkt werden und die Koma deshalb immer weiter anwachsen. Doch es sind auch andere Prozesse am Werk, die schließlich Material aus der Koma abführen und einen Teil davon in den Schweif entsenden. Bei der Annäherung des Kometen an die Sonne kommt so der Punkt, ab dem mehr Material abgeführt als erzeugt wird

Die Wasserstoff - Hydroxyl - Wolke

Mit Hilfe von Ultraviolettdetektoren hat man um den Kometen Tago - Sato - Kosaka eine Wasserstoffwolke entdeckt. Diese Wolke war viel größer als sein Koma. Später sind auch um andere Kometen ähnliche Wolken gefunden worden. Weitere Untersuchungen des Ultraviolletspektrums dieser Kometen wurden durchgeführt und so wurde auch die noch vorhandene, etwas kleinere Hydroxyl - Wolke entdeckt. Diese beiden Wolken werden heute als die Wasserstoff - Hydroxyl - Wolke bezeichnet.

Dieser Wolkenkomplex besteht aus den Dissotationsprodukten des Wassers. Treffen Ultraviolettphotonen des Sonnenlichtes ein Wassermolekül, so wird dieses aufgespalten. Daraus entsteht ein Wasserstoffatom und ein Hydroxyl - Radikal. Beim Aufbrechen des Hydroxyls entsteht wiederum ein Wasserstoffatom. Der sublimierende Kern, der zum Großteil aus Wassereis besteht, erzeugt demnach Wasserdampf, der durch Sonnenlicht dissoziert wird und eine riesige Wasserstoffwolke bildet.

Neutrale Moleküle, die durch die Sublimation erzeugt werden, bilden den gasförmigen Anteil der Koma. Durch die geringe Gravitationsanziehung des Kerns, kann dieser das Gas nicht halten und das Gas strömt, so ähnlich wie der Sonnenwind, davon, wobei die Endgeschwindigkeit der Strömung ungefähr 0,5 km/s beträgt. Bei dieser Abströmung werden Staubteilchen herausgerissen, die den Staubanteil der Koma bilden. Bei der Sublimation des Eises ist es möglich, daß die freigelegten Staubpartikel entweder als lose Teilchen oder als ein Teil der Staubkruste zurückgelassen werden. Die losen Teilchen werden von der Gasströmung mitgenommen oder es werden weitere Teilchen der Staubkruste von den Rändern der Staubkruste herausgerissen. Großteils ist bei den Kometen das Gas in der Nähe des Kerns so dicht, daß Moleküle zusammenstoßen. Diese Zusammenstöße spielen eine wichtige Rolle, da nun chemische Gas - Phasen - Reaktionen auftreten. Auch die Photodissation, das Aufbrechen von Molekülen durch das Sonnenlicht, kann von Bedeutung sein. Die in den Koma beobachteten relativ leichten Moleküle, wie Kohlenmonoxid und Cyan, sind möglicherweise gar nicht die selben Moleküle, die ursprünglich aus dem Kern freigesetzt werden. Bei der Photodissation von Wassermolekülen werden einatomige Wasserstoffe mit einer Geschwindigkeit von 20 km/h und langsame Hydroxylmoleküle erzeugt. Durch die darauffolgende Photodissation von Hydroxylmoleküle werden einatomige Wasserstoffe mit einer Geschwindigkeit von 8 km/s erzeugt. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit und der fehlenden Kollisionen können die Wasserstoffatome große Entfernungen zurücklegen, bevor sie durch die Sonnenstrahlung oder durch den Sonnenwind ionisiert werden. Das Ergebnis ist die Wasserstoffwolke, die den Kometen umgibt. Die Moleküle und Staubteilchen in der Koma und die Atome in der Wasserstoffwolke unterliegen dem Strahlungsdruck der Sonne. Die Auswirkungen zeigen sich am deutlichsten bei der Wasserstoffwolke, die merklich verzerrt wird.(vgl.: Brandt; Chapman 1994, S. 72-74)

c) Der Kometenschweif

Der Schweif ist das prägnanteste Merkmal der Kometen. Darum bezeichnet man sie auch als Schweif - oder Haarsterne, wobei wiederum die Haarsterne auf Besonderheiten der Schweifformen hinweisen. Häufig weisen die Kometen alles andere als einen gleichförmigen Schweif auf, sondern sie zeigen zwei oder mehrere Schweife oder Schweiferscheinungen, und eine Menge Details, die man ohne entsprechendes Vorwissen nicht sehen würde.

Der Kometenschweif zeigt immer von der Sonne weg. Aber wenn der Komet sein Perihel passiert hat und sich wieder zurück in den Weltraum bewegt, so fliegt er mit dem Schweif voraus. Im 19. Jahrhundert wurden erstmals aktive Strukturen in der Nähe des Kernes entdeckt, die sich immer wieder langsam verändern und sich zum Schweif hin krümmen. Dieses Phänomen deutete daraufhin, daß sich Materiefontänen von der sonnenzugewandten Seite des Kerns aufsteigen, die durch eine unbekannte Kraft, die Repulsivkraft, von der Sonne weggetrieben werden.

Im 18. Jahrhundert unterschied man drei Schweiftypen in ihrer Krümmung. Heute geht man von zwei Schweiftypen aus, die Typ I - und Typ II - Schweif genannt werden.

Für das Wegschleudern der Materie der Kometenschweife von der Sonne ist die Repulsivkraft zuständig, für die es zwei mögliche Ursachen gab. Eine Erklärung wäre die elektrostatische Kraft der Sonne gewesen, weil sich ja gleiche Ladungen abstoßen. Diese Kraft ist aber nicht die Ursache, weil sonst die Sonne eine elektrische Ladung besitzen müßte, die sich auch auf eine andere Weise bemerkbar machen müßte. Außerdem weisen bisher alle erfolgten Beobachtungen daraufhin, daß sie Sonne elektrisch neutral ist. Im 19. Jahrhundert stellte der schwedische Chemiker Svante Arrhenius die Hypothese vom Strahlendruck als mögliche Repulsivkraft auf, die sich heute als richtig erweist. Um die Theorie des Strahlendruckes zu verstehen muß man über das Konzept der Photonen bescheid wissen. Ein solches Photon besitzt einen winzigen Impuls. Wenn also ein Lichtteilchen auf ein Objekt trifft, prallt es zurück uns übt dabei eine mikroskopisch kleine Kraft auf das Objekt. Dieser Effekt passiert alltäglich, aber natürlich können wir ihn nicht wahrnehmen, weil die Kraft unglaublich klein ist. Aber bei einem Materialteilchen, das einen Durchmesser von einem Mikron hat, bekommt einen gewaltigen Stoß, wenn es von einem Photon getroffen wird. Deshalb unterscheidet man zwei Schweiftypen.

Der Gasschweif

Vielen ist er vielleicht besser als Typ I - Schweif bekannt. Er bildet sich vor allem aus leicht flüchtigen Gasen und deren Ionen. Deshalb wird er auch als Ionenschweif bezeichnet. Kurt Kopf sieht den Gasschweif in der Regel als schnurgerade, der stets von der Sonne weg zeigt und häufig eine mit Farbfilmen nachweisbare Färbung aufweist. So hat man zum Beispiel beim Kometen Hyakutake ein kräftiges blau auch Grüntöne entdeckt. In den Gasschweifen der Kometen findet man häufig einen bläulichen Farbton und ein turbulentes Aussehen, das man sich so ähnlich wie das Kräuseln des Zigarettenrauches vorstellen kann. So wie die Verformungen des Kondensstreifen eines Flugzeuges, das durch anströmende Lufmassen und die Höhenwinde verursacht wird, erfährt auch der Gasschweif viele Veränderungen. Der Schweif ist ein empfindlicher Anzeiger für das Weltall, durch das der Komet rast. Verursachte Störungen, die durch elektrische und magnetische Wechselwirkungen hervorgerufen werden, lassen sich innerhalb Stunden mit Spannungen verfolgen.(vgl.: Hopf 1996, S. 32-33)

Der Staubschweif

Vielen ist er vielleicht auch als Typ II - Schweif bekannt. Das prachtvolle Aussehen wird dem Kometen vom Staubschweif verliehen. Besonders spektakulär ist es, wenn der Staubschweif breit, gekrümmt und mehrfach aufgefächert erscheint. Die Richtung der Schweife hängt von der Perspektive ab, von der wir den Schweif von der Erde aus betrachten. Die Staubschweife beschreibt Kurt Kopf als eher gelb oder neutralweiß, da sie vorwiegend das Sonnenlicht streuen und reflektieren. Im Gegensatz zum Gasschweif ist der Staubschweif relativ gleichförmig und weist gelegentlich lineare Strukturen auf. Auch beim Typ II - Schweif können besondere Erscheinungsformen, wie der Gegenschweif oder buschige Auffächerungen auftreten, die aber eher selten sind, weil besondere Bedingungen herrschen müssen , damit sie auftreten können. So tritt der Gegenschweif nur dann auf, wenn die Erde genau durch die Bahnebene des Kometen hindurchgeht.(vgl.: Hopf 1996, S. 32-33)

Der Plasmaschweif

Die Plasma - und Staubschweife werden erst bei einer geringen Entfernung von der Sonne ausgebildet. Natürlich gibt es Ausnahmen wie z.B. Hale - Bopp, der sogar jenseits von Jupiter Schweife hatte. Der Plasmaschweif ist im allgemeinen schmaler als der Staubschweif und kann eine Länge von bis zu 100 Millionen km erreichen. Das Plasma entsteht aufgrund der Aussetzung der Koma der ultravioletten Sonnenstrahlung. Der Sonnenwind spielt auch bei der Ausbildung des Plasmaschweifes eine wichtige Rolle. Der von der Sonne weggerichtete Plasmaschweif entsteht, weil der Sonnenwind das Plasma der Koma fortdrückt. Durch die Wechselwirkung mit dem Sonnenwind kann es zu bizarren Formen innerhalb des Schweifes kommen, wie z.B. zu sogenannten Schweifablösungen.

Die Schweiflänge

Die in den letzten Jahren beobachteten und untersuchten Kometen weisen oft nur eine geringe Schweiflänge von etlichen Bogenmaßen bis zu wenigen Graden auf. Der einzige Komet, der mit den Kometen West und Ikeya - Seki in der Schweiflänge mithalten kann, ist der Komet Hyakutake mit einer Schweiflänge von über 70 Grad. Mit steigender Größe eines Kometen wird die Abschätzung der Schweiflänge immer schwieriger. Dies wird durch die Ergänzung von fotografischen Dokumentationen zur visuellen Beobachtung erleichtert. Um eine genaue Schweifabmessung durchführen zu können, müssen einige Bedingungen erfüllt werden So benötigt man einen klaren und dunklen Himmel, weil je heller und lichtverschmutzer der Himmel ist, desto kürzer wird der Schweif gesehen. Die beste Methode, um die Schweiflänge festzustellen ist, die Komaposition und den Endpunkt des Schweifes in eine Sternkarte einzuzeichnen und dann die Koordinaten zu bestimmen.(vgl.: Hopf 1996, S. 32-33)

Modelle des Staubschweifes

Der Staubschweif besteht aus Staubteilchen mit einem sehr kleinen Durchmesser, der auf etwa einem Mikron geschätzt wird. Durch den Strahlungsdruck der Sonne unterliegen diese Teilchen einer starken Kraft, durch die sie von der Sonne weggeblasen werden und somit den Staubschweif bilden.

Die Theorie dieses Prozesses wurde von Michael Finson und Ronald Probstein entwickelt, die auch noch heute gängig ist. Dadurch konnten die Formen und Größen von Staubschweifen erklärt werden. Damit die Theorie mit den Beobachtungen identisch ist, hat man einen großen Anstieg der Staubemission vor dem Perihel angenommen.

Die kleineren Teilchen bilden den Hauptschweif, weil sie wegen ihrer geringen Größe durch den Strahlungsdruck viel schneller beschleunigt werden. Natürlich werden die großen Teilchen nicht so schnell beschleunigt. Dadurch bleiben sie dichter am Kern und bilden charakteristische Merkmale aus. Ein solches charakteristische Merkmal, das von den größeren Teilchen gebildet wird, ist z.B. der Gegenschweif. Die Staubteilchen können sich auch unter bestimmten Voraussetzungen im zentralen Gebiet des Staubschweifes konzentrieren und eine schmale, stabile Struktur bilden, die auch als Halsausschnitt - Struktur bekannt ist.

Trotzdem konnte nicht geklärt werden, warum der Typ I - Schweif von der Sonne weg zeigt. Erst als der Sonnenwind entdeckt wurde und die Plasmaphysik entwickelt wurde, konnte man diese Erscheinung erklären bzw. verstehen.

2.3 Der Einfluß des Sonnenwindes auf Kometen

Der Sonnenwind und Kometen

Die hohe Geschwindigkeit der Gasteilchen im Schweif, die von der Sonne wegfliegen, deuteten darauf hin, daß es eine Kraft entgegen der Schwerkraft geben muß, welche die Gasatome von der Sonne wegfliegen läßt. Auch auf die Staubteilchen im Staubschweif wirkt eine abstoßende Kraft, die aber um einiges kleiner ist als die Kraft, die auf die Gasteilchen wirkt.

Die Staubteilchen werden zwar durch die Anziehungskraft der Sonne in gekrümmte Bahnen gedrängt, aber die Schwerkraft der Sonne übt scheinbar keinerlei Einfluß auf Gasmoleküle aus. Eine mögliche Lösung dafür wäre die Kraft des Sonnendruckes. Dieser entsteht durch das kommende Licht von der Sonne. Trotz der sehr kleinen Kraft des Lichtdruckes können im freien Raum feste Teilchen bzw. Atome oder Moleküle schnell genug beschleunigt werden, um von der Sonne weggedrückt werden zu können. Heute ist natürlich bekannt, daß dieser Lichtdruck für die Bewegung der Staubteilchen verantwortlich ist. Doch man wußte immer noch nicht, warum oder wieso die Gasteilchen so schnell beschleunigt werden. Es konnte auch bewiesen werden, daß der Strahlungsdruck viel zu schwach ist, um die Gasteilchen so schnell zu beschleunigen. Die Gasteilchen fliegen immer von der Sonne weg. Darum war es naheliegend, daß die Ursache für dieses Phänomen in der Sonne liegen muß. Es wird vermutet, daß es schon vor der Jahrhundertwende Vorstellungen vom Sonnenwind gegeben hat, weil man sich Phänomene wie z.B. die Nordlichter (Auroras) oder magnetische Störungen auf der Erde mit der Existenz des Sonnenwindes erklärte. Hauptsächlich wurde aber angenommen, daß die von der Sonne kommenden Teilchen in konzentrierten Bündeln vorkommen. Also werden bei gelegentlichen Ausbrüchen Gaswolken in den Raum geschleudert. Der deutsche Astronom Ludwig Biermann hatte die Idee bzw. stellte die Hypothese auf, daß es unabhängig von den Ausbrüchen auf der Sonne einen stetigen "Wind" elektrisch geladener Teilchen gibt - "Sonnenwind".

Ludwig Biermann spricht eben von einem Strom aus ionisiertem Gas, der hauptsächlich aus Protonen und Elektronen besteht. Dieser Strom, der von der Sonne kontinuierlich ausgesendet wird, zieht durch gesamte Sonnensystem und tritt nicht in Bündeln auf, sondern breitet sich in alle Richtungen aus.

Diese Teilchen reißen die elektrisch geladenen Bestandteile der aus dem Kern des Kometen frei werdenden Gase mit sich, während die ungeladenen Moleküle im Kopf des Kometen zurückbleiben.

Die formulierte Hypothese von Ludwig Biermann beruht einerseits auf Analysen der Beschleunigung von Kometen in Plasmaschweifen und andererseits auf der Orientierung von Plasmaschweifen. Für diesen Beschleunigungsmechanismus muß es eine Erklärung geben, und eine naheliegende Lösung war der hypothetische Sonnenwind. Es konnten auch nicht genauere Berechnungen durchgeführt werden und somit war klar, daß dieses Problem komplexer sein mußte, als erwartet wurde. Nach der Bekanntgabe der biermannschen Hypothese konnte Eugene Parker theoretisch den Sonnenwind beweisen. Seine mathematische Theorie zeigte, daß es einen Sonnenwind hoher Geschwindigkeit geben sollte.

Die USA und die damalige Sowjetunion begannen Ende der fünfziger und Anfang der sechziger Raumsonden, mit Geräten zum Nachweis des Sonnenwindes ausgerüstet waren, in den Weltraum zu senden. Schließlich wurde der Sonnenwind 1962 von der amerikanischen Raumsonde Mariner 2 entdeckt. Heute wissen wir, daß der Sonnenwind elektrisch neutral ist und somit die Elektronendichte gleich mit der Protonendichte sein muß. Die mittlere Windgeschwindigkeit beträgt rund 400 Kilometer pro Sekunde.

Damit war die Existenz eines Sonnenwindes geringer Dichte und hoher Geschwindigkeit, den Biermann aufgrund von Hinweisen durch Kometen gefordert hatte, bestätigt.

Eine weiter Idee, die auf Biermann zurückgeht, ist eine Gaswolke im interplanetaren Raum künstlich zu erzeugen um beobachten zu können, wie der vorbeiströmende Sonnenwind diese Wolke beeinflußt. Auf diese Weise kann man etwas über die Wechselwirkung von Kometengasen und Sonnenwind erfahren. Das Experiment "Künstlicher Komet" hatte am 27.Oktober 1984 seinen Höhepunkt. Ungefähr zur Mittagszeit sind zwei Kanister mit insgesamt 1,25 kg Barium in einer Entfernung von 110 000 km von der Erde gezündet worden und damit eine Wolke aus Bariumdampf erzeugt worden. Diese Wolke leuchtet grün. Als im Sonnenlicht Elektronen von den Bariumatomen abgeschlagen wurden, entstanden Bariumionen entstanden und die Wolke leuchtete violett. Diese entstandenen Ionen wurden von den elektrisch geladenen Teilchen des Sonnenwindes erfaßt und in den Raum geschleppt. Innerhalb kürzester Zeit, etwa einige Minuten, entstand ein mehrere tausend km langer Kometenschweif.(vgl.: Brandt; Chapman 1994, S. 90-92)

Kometen als Sonnenwindsonden

Bisher glaubte man, daß sie Plasmaschweife genau von der Sonne wegzeigen. Aber nach jahrelangen Untersuchungen der Plasmaschweife konnte Cuno Hoffmeister eine Abweichung von einigen Graden feststellen. So bemerkte er, daß sich die Schweife entgegengesetzt zur Bahnbewegungsrichtung des Kometen nachschleifen. Dieser Ablenkwinkel nahm mit der senkrecht zum Radiusvektor gerichteten Bahngeschwindigkeitskomponente des Kometen zu. Daraus hat Biermann die Schlußfolgerung gezogen, daß der Schweif nachschleift. Seiner Meinung nach verhält sich der Schweif, währender von dem Kometen durch den Sonnenwind gezogen wird, wie ein Windsack. Ein hypothetischer mitfliegender Beobachter würde sehen, daß sich der Schweif in die selbe Richtung wie der Sonnenwind bewegt. Die Aberration ist die Veränderung der Richtung, die der Komet durch seine Bewegung verursacht. Diesen Effekt kann man mit einem Fußgänger vergleichen, dem durch seine Bewegung die Richtung der senkrecht herunterfallenden Regentropfen verändert erscheint. Wenn der Komet als Testsonde für den Sonnenwind losgeschickt wird, dann dient diese Information als Grundlage.

Auf verschiedenster Weise sind Kometen somit Indikatoren für die Bewegung im Sonnenwind oder im übrigen Weltraum.

1.)Durch die verschiedensten Formen von Kometenschweifen und durch ihre Orientierung lassen sich aufgrund des gerade eben beschriebenen Windsack – Effektes Rückschlüsse auf die Geschwindigkeiten des Sonnenwindes ziehen.

2.)Wenn der Komet Stoßfronten oder magnetische Sektorengrenzen passiert, können Änderungen in der Helligkeit der Kometen hervorgerufen werden. Diese Änderungen stehen mit den Schweifablösungen in Verbindung.

3.)Wenn man das Phänomen der Schweifablösungen besser beschreiben könnte bzw. wenn ihre Entstehung bekannt wäre, könnte eine solche Schweifablösung auf spezielle Bedingungen hinweisen.

Aus bestimmten Werten der verschiedenen Geschwindigkeitskomponenten des Sonnenwindes können Vorhersagen über die Schweiforientierung abgeleitet werden. Durch den Vergleich der vorhergesagten mit den beobachteten Orientierungen ergibt sich das beste Sonnenwindmodell. Die Unterschiede können mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate minimalisiert werden.

Bei dem Komet Kohoutek konnte ein großer Knick im Plasmaschweif entdeckt werden. Der Knick war wahrscheinlich die erste Schweifstruktur, die auf überzeugende Weise mit einen speziellen Sonnenwindmerkmal in Verbindung gebracht werden konnte.

2.4 Physikalische Hintergründe und Zusammenhänge

In der Kometenforschung finden sich viele Teilbereiche der Physik wieder. Insbesondere ist es wichtig, das Verhalten von ionisiertem Gas (Plasma) und Wassereis unter den Bedingungen des Weltraums zu verstehen.

Die Physik der Plasmen

Verlieren Atome oder Moleküle eines Gases ein oder mehrere Elektronen und ist eine Mischung aus positiv geladenen Ionen und negativ geladenen Elektronen vorhanden, so entsteht ein Plasma. Die geladenen Plasmateilchen kommen immer zusammen vor. Wahrscheinlich stehen sie mit magnetischen oder elektrischen Feldern, die nicht mit Sicherheit existieren, in Wechselwirkung. Durch ihr einzigartiges Verhalten zählt das Plasma oftmals als "vierter Aggregatzustand". Um örtliche Erscheinungen verstehen zu können, muß ein Plasma immer als ein Ganzes gesehen werden, weil es kollektive Eigenschaften besitzt. Starke Beeinflussung auf die Plasmen wird durch elektrische und magnetische Felder ausgeübt. Somit sind bei Untersuchungen des Kosmos Plasmaerscheinungen von größter Bedeutung.

Folgende Bedingungen müssen erfüllt sein, damit ein typisches Verhalten eines Plasmas eintritt:

1.  
2. Im Volumen eines Plasmas sind gleich viele positiv und negativ geladene Teilchen vorhanden, das heißt, daß das makroskopische Volumen eines Plasmas elektrisch neutral ist. Ab einer gewissen Entfernung von einem der vielen geladenen Teilchen im Plasma kann die Ladung eines einzelnen Teilchens nicht nachgewiesen werden, weil es durch alle anderen Teilchen abgeschirmt wird. Die Entfernung, die gegeben sein muß, um die Ladung eines Teilchens nachweisen zu können wird als Debye - Länge bezeichnet. Im Vergleich zur Größe des vom Plasma eingenommen Volumens ist diese Länge klein.
3.  
4. Eine weitere Bedingung ist, daß eine Kugel mit dem Radius einer Debye - Länge sehr viele Elektronen enthalten muß.
5.  
6. Damit keine Ladung pro Volumeneinheit herrscht, muß das Plasma elektrisch neutral sein, was wiederum bedeutet, daß gleich viele Elektronen wie Protonen vorhanden sein müssen.
7.  
8. Eine weitere Bedingung, die in den Plasmaschweifen von Kometen sehr leicht erfüllt werden kann, ist, daß Plasmaschwingungen durch Zusammenstöße mit Ionen, Atomen oder Molekülen im wesentlichen nicht gedämpft werden. Daraus folgt, daß ihre Amplitude nicht verändert wird.

Darum muß die Ladung eines Kometen neutral sein, da wenn es Teile mit einem Überfluß an Ladung gäbe, sich durch elektrische Felder große Kräfte erzeugen würden. Nur Magnetfelder würden die Teilchen daran hindern, an diese Teile heran zu kommen und zu neutralisieren. Auf Grund der sehr viel niedrigeren Häufigkeit der Zusammenstöße als die Plasmafrequenz, werden die Plasmaschwingungen nicht gedämpft. Somit können die Elektronen des Plasmas mit natürlicher Frequenz gemeinsam um die massereichen Ionen schwingen.

Die Bewegung der Teilchen können durch das Magnetfeld im Kometen senkrecht eingeschränkt werden. Somit bewegt sich ein geladenes Teilchen auf einer Spiralbahn um das Magnetfeld.

"Deshalb kann man das Plasma in Kometen als hochmagnetisiert ansehen. Man sagt auch, anders ausgedrückt, das Magnetfeld sei im Plasma "eingefroren", so daß sich beide gemeinsam bewegen."(Brandt; Chapman 1994, S. 89)

Die Alfven - Geschwindigkeit ist jene, mit der sich die Störungen in magnetisiertem Plasma fortbewegen. Diese Geschwindigkeit bestimmt auch die Stärke des Magnetfeldes und die Dichte des Plasmas. Somit entspricht sie der Schallgeschwindigkeit in einem nichtmagnetisiertem Gas. Die Alfven - Geschwindigkeit beträgt normalerweise 10 km/s, mit der Störungen Energie oder Informationen in Plasma transportieren.

Man kann sagen, daß die Plasmaphysik eigentlich immer eine wichtige Rolle bei der Diskussion über die Physik der Kometen spielt. Die Kometenumgebung stellt ein magnetisches Plasma mit geringer Dichte dar, und es werden viele verschiedene Gebiete wie z.B. die Ionen - Mitnahme oder die Plasmainstabilität untersucht. Die Kometen bieten eine hervorragende Gelegenheit, Plasmaphänomene in einer Größenordnung zu beobachten, die in einem Laboratorium nicht möglich gemacht werden können.

Um Plasmaphänomene verständlich zu machen, werden jetzt Modelle der Wechselwirkung zwischen Sonnenwind und Plasmaschweifen beschrieben:

Hannes Alfven zeigte, daß das wichtigste Element der Kometenphysik die Magnetfelder sind. Die Verbindung zwischen dem Plasma des Sonnenwindes und eines Kometen wurde durch Magnetfelder um einiges verstärkt. Eine weitere Idee von Alfven war die Drehung von Schweifstrahlen, die durch das Einfangen von magnetischen Feldlinien entstehen sollten. Die Drehung macht sich durch strahlenförmige Strukturen im Plasmaschweif bemerkbar. Diese Überlegung ist auch heute noch gültig. Nach den Vorstellungen von Alfven wird durch die eingefangenen Magnetfeldlinien eine Verbindung zwischen dem Plasma und der Kopfregion des Kometen vorhanden sein.

Bei einem Abstand von etwa 1,5 bis 2 AE von der Sonne, strömen die Moleküle von der Koma eines Kometen von der Sonne ab und sind bereits ionisiert. Durch den Sonnenwind werden diese ionisierten Moleküle, die im Magnetfeld gefangen sind, nach außen transportiert. Durch diese Mitnahme wird der Sonnenwind in der Nähe des Kometen abgebremst. Wenn der Sonnenwind nicht so nahe bei dem Kometen ist, strömt er natürlich ganz normal vorbei.

Infolgedessen falten sich die Feldlinien wie ein zusammenklappender Regenschirm um den Kometen und bilden eine haarnadelförmige magnetische Struktur.

Die dadurch entstehenden beiden Hälften weisen entgegengesetzte magnetische Polarität auf und das dazwischenliegende Gebiet muß eine Stromschicht enthalten. Diese Faltungen der Schweifstrahlen zu den Plasmastrukturen können natürlich beobachtet werden, weil die gefangenen Molekülionen als Indikator für die Feldlinien dienen. Die Feldlinien sind die meiste Zeit über im ionisierten Gas in der Nähe des Kernes verankert, das eben die Verbindung des Plasmaschweifes mit dem Kometen ist. Ein interessantes Phänomen, zu dem es aufgrund der Unterbrechung dieser Verbindung kommen kann, ist die Schweifablösung.

Auf der sonnenzugewandten Seite des Kometen bilden sich sogenannte Stoßwellen aus, weil der Komet und seine Ionosphäre Hindernisse für den Sonnenwind, der mit Überschallgeschwindigkeit vorbeirast, bilden. Durch diese Stoßwellen wird der Sonnenwind abgebremst und somit kann er glatt um den Kometen herumfließen.(Brandt; Chapman 1994, S. 92-96)

Die Physik des Wassereises

Es ist allgemein bekannt, daß Wasser bei einem normalen Atmosphärendruck bei 100°C kocht. Versucht man ein Ei in großer Höhe hart zu kochen, ist die Temperatur, bei der Wasser kocht, um so niedriger, je geringer der Atmosphärendruck ist, das heißt, daß das Wasser bei dem geringen Druck in großer Höhe kocht und verdampft bevor es heiß genug ist, um das Ei fest werden zu lassen.

In einem Temperatur - Druck - Diagramm für Wasser nehmen Eis, Wasser und Wasserdampf unterschiedliche Bereiche ein. Daher ist die Tatsache interessant, daß es einen bestimmten Druckwert gibt, den Druck am Tripelpunkt, unterhalb dessen kein flüssiges Wasser existieren kann. Bei Drücken unterhalb des Druckes am Tripelpunkt geht Wasser direkt vom festen in den gasförmigen Zustand über. Dieser Übergang ist der als Sublimation bekannte Prozeß.

Die Drücke an den Oberflächen von Kometenkernen liegen unterhalb des Druckes am Tripelpunkt, und deshalb spielt die Sublimation in der Physik der Kometen eine wichtige Rolle.

Wassereis besitzt eine interessante Struktur. Deshalb sind viele Eisarten, von denen einige nur bei hohen Drücken vorkommen, bekannt. Die für uns interessanten und gewöhnlichen Formen sind amorphes, kubisches und hexagonales Eis.

Wenn Wasser gefriert, bildet es eine kristalline Struktur, wobei die Moleküle durch Wasserstoffbrücken beisammengehalten werden. Die Struktur ähnelt einem Käfig mit einem großen Hohlraum im Inneren. Diese locker Struktur erklärt übrigens, warum Eis weniger dicht ist als Wasser und deshalb schwimmt. Sie Brückenbindungen, die das Wasser zusammenhalten, bilden das sogenannte Kalthrat - Hydrat. Wenn Eis in Gegenwart anderer Gase kondensiert, können "Verunreinigungen" in den Käfigen des Kristallgitters eingeschlossen werden.

2.5 Methoden zur Datengewinnung über Kometen

Eine schwierige Aufgabe ist es Informationen über Kometen zu bekommen, weil sie relativ klein sind und sich schnell an uns vorbeibewegt. Falls es überhaupt möglich ist kann man nur einen Kometen in seinem Leben beobachten. Bei früheren Methoden zur Datengewinnung hatte man nur schlechte Erkenntnisse erhalten. Eine der wichtigsten Methoden ist die Photometrie und Spektroskopie.

Photometrie

Allgemein ist die Photometrie als Helligkeitmessung bekannt sein. Mit empfindlichen photoelektrischen Geräten verschiedenster Art kann man das Licht eines ganzen oder auch nur einen bestimmten Teil des Kometen messen.

Mit der lichtelektrischen Photometrie erreicht man sie genauesten Helligkeitsmessungen. Dabei treffen die Lichtstrahlen auf eine Schicht aus Alkalimetallen (z.B. Natrium oder Kalium) und schlagen aus dieser Schicht negativ geladenen Elektronen heraus. Durch eine Anode werden die herausgeschlagenen Elektronen angesaugt. Die Sternhelligkeit wird also durch eine Strommessung ermittelt. Bei geringen Sternhelligkeiten ist der Elektronenstrom so schwach, daß er mit dem Photomultiplier verstärkt wird. Dabei treffen die herausgelösten Elektronen auf eine weitere Metallschicht auf und schlagen wiederum Elektronen heraus. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis der Elektronenstrom stark genug ist, um gemessen werden zu können. Bei besonderem Interesse an einem bestimmten Wellenlängenbereich wird ein spezieller Filter vor das Photometer montiert. Als Filter kann ein Spektrograph dienen. Damit kann man mit einem Photometer das erzeugte Spektrum des Spektrographen abgetastet werden. Die vom Photometer aufgezeichnete Stromkurve gibt dann den Verlauf der Intensität mit der Wellenlänge im Spektrum wieder.

Spektroskopie

Das Spektrum enthält nicht nur einzelne Farbbereiche, sondern auch Radio-, Mikrowellen-, Infrarot -, Ultraviolett - und Röntgenstrahlung. Atome und Moleküle absorbieren (=aufnehmen) und emittieren (=aussenden) Licht bei ganz spezifischen Wellenlängen (Farben). Anhand eines Spektrums kann man die chemische Zusammensetzung eines Himmelskörpers bestimmen, weil sich die Spektralmuster der verschiedenen Atome und Moleküle voneinander unterscheiden. Der Spektrograph ist ein Instrument, das Licht für die Analyse in seine Wellenlängen oder Farben zerlegt. Ein Glasprisma ist ein Beispiel für einen Spektrographen, welches das Sonnenlicht in sein Spektrum zerlegt.

Kometenspektren zeigen Emissionslinien, die häufig einem Absorbtionslinienspektrum (einem Spektrum mit dunklen Linien) überlagert sind, das mit dem der Sonne identisch ist. Durch viele Untersuchungen über die verschiedenen Möglichkeiten vom Emittieren des Lichtes bei Objekten weiß man, daß ein heißer, fester Körper oder ein heißes, dichtes Gas ein Spektrum ohne dunkle Linien hat. Ein solches Spektrum wird als kontinuierliches Spektrum bezeichnet. Das sehr heiße innere, verdichtete Gas der Sonne sendet ein kontinuierliches Sektrum aus. Für die dunklen Absorptionslinien sind die äußeren gasförmigen Schichten verantwortlich. Durch das Vergleichen im dunklen Anteil der Muster im Sonnenspektrum können alle chemischen Elemente, die in den äußeren Sonnenschichten vorkommen, identifiziert werden. Viele Informationen sind im Licht von Himmelskörpern versteckt. Die kodierten Informationen verraten vieles über den Zustand der Atome des Gases, die die beobachteten Spektrallinien emittieren oder absorbieren. Mit Hilfe des Dopplereffektes kann bestimmt werden, ob sich das Gas auf uns zu oder von uns weg bewegt, ob es turbulent oder ruhig ist und ob magnetische oder elektrische Felder vorhanden sind.

In der gezeigten Tabelle sind die Atome und Moleküle angegeben, die bisher in

Kometenspektren beobachtet und bei direkten Messungen durch Raumsonden vor Ort nachgewiesen werden.

3. Fallbeispiele

Die Halley - Armada

Das Erscheinen des Kometen Halley wurde 1985-86 erwartet. Durch die gut bekannte Bahn des Kometen und der relativ weit fortgeschrittenen Weltraumtechnik forderten Kometenforscher, Raumsonden zu Halley zu schicken. Dadurch können Messungen und Experimente vor Ort durchgeführt werden, die eine Lösung für offenstehende Fragen bringen sollten. Die Expedition konzentrierte man sich auf 2 Kometen – Giacobini - Zinner und Halley.

Die ersten Messungen konnten durch die amerikanische ISEE - 3 Sonde gemacht werden. Als sie genau zwischen Sonne und Halley war, konnte sie den Sonnenwind, der auf dem Weg zu Halley war, messen. Die ISSE - 3 Sonde ist unerwartet zum Kometenjäger geworden, weil sie nur durch Zufall vom Erdmond in den Raum geschleudert wurde und so ein Treffen mit Giacobini - Zinner hatte. Seit diesem Zeitpunkt trug sie den Namen ICE, was für "International Comet Explorer" steht.

Außer dem ICE wurden noch weitere 5 Sonden zu einem Treff mit Halley geschickt. Die Mission war eine internationale Zusammenarbeit der NASA, der ESA (=Europäische Weltraumbehörde), Japan und der damaligen Sowjetunion.

Von der Sowjetunion sind die Sonden VEGA 1 und VEGA 2 zu Halley geschickt worden. Der Name setzt sich aus den beiden ersten Buchstaben des russischen Namens für Venus (Vega) und der kyrillischen Schreibweise von Halley (Galley) zusammen. Die erste Aufgabe der sowjetischen Sonden war die Ablieferung von 2 Instrumentkapseln, die die Venusathmosphäre untersuchen sollten. Die zweite Aufgabe war, mit einer umfangreichen Instrumentensammlung zu Halley zu fliegen. Das Hauptziel der VEGA - Sonden war, eine Aufnahme des Kerns zu machen und viele Messungen bzw. Experimente durchzuführen.

Die Japaner schickten die Raumsonde Sakigake (MS - T5) und Suisei (Planet - A) zu Halley. Die beiden japanischen Sonden waren fast identisch, führten jedoch andere Experimente durch. Sie waren auch die erste interplanetare Raumfahrtmission Japans. Sakigake untersuchte vor allem die Grundeigenschaften des Sonnenwindes in der Nähe des Kometen und hat die Radiostrahlen der Koma und Plasmawellen gemessen. Suisei beobachtete vor allem die Ionen im Sonnenwind und vom Kometen.

Das Giotto - Projekt der ESA zur Erforschung des Komet Halley ist nach dem italienischen Renaissancemaler Giotto di Bondane benannt. Die Giotto - Sonde ist mit einer Ariane - Rakete gestartet worden. Sie war auch die erste Mission der ESA und zugleich ihr erstes wissenschaftliches Raumfahrzeug. Giotto hatte wie die VEGA - Sonden eine ähnliche umfangreiche Instrumentensammlung an Bord und ihre Ziele waren auch ähnlich. Mit Hilfe verschiedenster Spektrometern, wie z.B. Ionen - Massen - Spektrometer oder Staub - Massen - Spektrometer, ist die Zusammensetzung neutralere Atome, Ionen und Staubteilchen untersucht worden. Weiters wurde die Menge des Staubes und die Verteilung der Teilchen gemessen. Ein Staub - Aufschlag - Analysator wurde zur Trefferzählung und zur Massenbestimmung genutzt. Die Helligkeit der Koma mit Hilfe einer photometrischen Messung ermittelt worden. Eine Vielzahl von Plasmaexperimenten wurden durchgeführt, wobei die Eigenschaften von Ionen und Elektronen in unterschiedlichen Energiebereichen untersucht wurde. Das Magnetfeld des Kometen ist mit einem Magnometer vermessen worden. Die Bilder vom Kometenkern und von der Koma sind von Fernsehkameras aufgenommen worden.

Die Frage nach dem richtigen Zeitpunkt für das Treffen mit Halley war relativ einfach zu lösen. Die Raumfahrzeuge mußten an dem Punkt zusammentreffen, wo der Komet die Ebene der Erdbahn kreuzt. Dieser Punkt ist der sogenannte Knoten der Bahn. Die Begegnung der Raumsonden häufte sich um den 10.3.1986, weil der Komet zu diesem Zeitpunkt die Erdbahn von oben nach unten (=> von Norden nach Süden) passierte (= der absteigende Knoten).

Das weitaus größte Problem für die Raumsonden und den wissenschaftlichen Instrumenten stellte der Staub des Kerns vom Kometen dar, weil sie dadurch stark beschädigt werden könnten. Alle Raumsonden bewegten sich rechtläufig , wogegen sich Halley rückläufig bewegte. Um sich das besser vorstellen zu können kann man die Begegnung mit einem Geisterfahrer auf der Autobahn vergleichen. Die Relativgeschwindigkeit der Teilchen war für alle Sonden gleich groß und betrug 68 km/s. Bei dieser Geschwindigkeit kann ein 0,1g schweres Teilchen eine 8 cm dicke Aluminiumwand durchschlagen. Diese Gefahr wurde auf verschiedene Art gelöst. Die japanischen Sonden Suisei und Sakigake gingen dem Staub Wort wörtlich aus dem Weg. Suisei bewegte sich 7 Millionen km entfernt an Halley vorbei und Sakigake 200 000 km. 200 000 km sollte die berechnete Entfernung sein, bei der die Gefahr sehr gering sein sollte. Trotzdem traten Beschädigungen bei den japanischen Sonden auf.

Bei Giotto wurde das Problem des Staubeinschlages durch ein doppeltes Stoßfängerschild gelöst. Ein zusätzliches Problem stellte der Einschlag eines sehr kleinen Teilchens am Rande des Schildes dar, weil dadurch die Sonde zum Torkeln gebracht wird und der Kontakt mit der Erde verloren gehen könnte, was dann tatsächlich bei Giotto der Fall war. Dadurch konnten die Daten nur mit Unterbrechungen empfangen werden. Giotto ist von allen Sonden dem Kometen am nähesten gewesen, nämlich ca. 600 km. Durch diese geringe Entfernung konnten gute Aufnahmen vom Kern gemacht werden, aber einige Experimente konnten nicht voll durchgeführt werden und es sind sogar einige Instrumente völlig außer Betrieb gesetzt worden.

Ein wichtiger Teil der Halley - Armada war das "Pathfinder Project", das ein gutes Beispiel für internationale Zusammenarbeit ist. Eine sehr genaue Zielgenauigkeit war erforderlich, damit Giotto sich so nahe an Halley vorbeibewegen konnte und nicht mit ihm zusammenkrachte. In diesem Projekt ging es darum, daß die genauen Bahndaten des Kometen bei der größten Annäherung der VEGA - Sonden schnell verarbeitet werden und sofort dem Giotto - Projekt übermittelt werden. Darum konnte sich Giotto so nahe an Halley vorbeibewegen.

Durch die Rotation des Kerns und durch die Zeitverschiebung zwischen VEGA 2 und Giotto haben die beiden Sonden nahezu die entgegengesetzten Seiten des Kerns aufgenommen. Dadurch kann eine erste grobe Karte erstellt werden.

Der Kern hat die Maße 16 * 8 * 7,5 km³ und weist einige Oberflächenstrukturen auf. Es zeigen sich deutlich flache und ringartige Gebilde, die man von der Form her als Krater bezeichnen könnte. Sie sind so etwas wie schüsselartige Vertiefungen, die von Einschlag - oder Auswurfskratern stammen könnten. Eine Gemeinsamkeit der Bilder ist eine großräumige zentrale Einbuchtung oder Absenkung, die vielleicht, wie man auf dem Giotto - Teilbild erkennen kann, an einem Berg bzw. Hügel endet. Es scheint, daß die aktiven Zonen beider Bilder zum Teil in den gleichen Oberflächengebieten liegen. Der Unterschied der Bilder liegt darin, daß die Giotto - Hemisphäre nur abgegrenzte Aktivitätszentren zu erkennen gibt. Im Gegenteil sind diese bei der VEGA - Hemisphäre durch Zonen gemäßigter Aktivität verbunden. Eine mögliche Begründung könnte sein, daß die Giotto - Sonde hauptsächlich die Nachtseite der Kometenoberfläche erfaßt hat und nur am linken Rand einen kleinen Teil der Tagesseite abbildet. Das VEGA- Bild hingegen bietet einen direkten Blick auf die Tagesseite, auf der sich die Aktivität voll entwickelt hatte. Feinere Strukturen konnten nicht erkannt werden, weil die maximalen Auflösungen der Kameras zu niedrig waren. Die Aktivitätszentren haben relativ kleine Ausdehnungen und sind in ihrer Struktur nicht weiter auflösbar.

Der Jupiter - Crash

Ein Zusammenstoß zwischen zwei Körper im Sonnensystem ist wahrlich nichts besonders. Doch der Jupiter - Crash, im Juli des Jahres 1984 ist ein astronomisches Jahrhundert- wenn nicht ein Jahrtausendereignis. Noch nie konnte in der Geschichte der Astronomie ein Zusammenstoß zweier Körper im Sonnensystem beobachtet werden, aber damals wußte man es schon 15 Monate vor dem Crash. Einerseits erhoffte man sich durch dieses Ereignis neue Erkenntnisse über den Jupiter, wie auch über das Wesen der Kometen. Andererseits waren die Erwartungen an dieses Ereignis verhalten: Die Kometentrümer könnten ja wie Sternschnuppen spurlos in den Wolken Jupiters verschwinden. Aufgrund der langen bekannten Zeit vor dem Tag X liefen die Vorbereitungen auf Hochturen. Viele Projekte wurden vorbereitet und auch Amateurbeobachter waren wichtig. Die ganze Welt war in Aufruhr gesetzt worden und es wurde wieder international perfekt zusammengearbeitet. Es wurde ein gewaltiges Computernetz aufgebaut, mit dessen Hilfe Somit konnten Bilder, neue Berechnungen und Unmengen anderer Daten ausgetauscht werden konnten. Das Hubbleteleskop und Galileo, wie auch andere Satelliten lieferten prachtvolle Bilder.

Bei dem Unglückskometen handelt es sich um Shoemaker Levy 9. Der Komet ist von den Shoemakers und David Levy entdeckt worden. Bei ihrem "zerquetschten" Kometen handelt es sich um einen Kometen, der keinen anderen glich. Durch bessere Teleskope konnte festgestellt werden, daß es sich dabei nicht um einen normalen Kometen handeln konnte. Im Gegenteil, es war ein Komet, der in viele Teile zerbrochen war, welche eine Perlenkette bildeten. Der Komet dafür ist durch das Drei - Körper - Problem in eine Umlaufbahn um Jupiter geraten. Die Voraussetzung ist, daß zwischen den benötigten Zeiten von Jupiter und den Kometen um die Sonne ein ganzzähliges Verhältnis besteht. Weiters wird bei dieser Art vom Einfangen Energie der zwei beteiligten Körper an den Dritten so abgegeben, daß sie danach gravitativ aneinander gebunden bleiben. So bewegte sich Shoemaker Levy 9 um Jupiter. Durch den geringen Druck der dort herrscht, ist der Komet in rund 21 Fragmente zerbrochen, die alle auf Jupiter stürzten.

Interessant ist auch, daß der Komet erst sehr spät entdeckt wurde. Auf vielen Bildern hat man ihn übersehen und man vermutet, daß sich noch viele Kometen in der Nähe von Jupiter befinden, die man aber nicht sehen kann, weil es in der Sonnendistanz Jupiters zu kalt ist, d. h., daß sich die Kometenaktivität kann sich nicht entfalten.

Warum konnte Shoemaker Levy 9 überhaupt gesehen werden? Die Antwort dafür ist in seiner Vergangenheit zu suchen. Bei seinem Zerfall 1992 ist viel Staub freigesetzt worden, der jetzt das Sonnenlicht zurückwarf und ihn über die Nachweisschwelle gehoben hatte.

Die Teilstücke stürzten auf Jupiter mit einer Geschwindigkeit von 60km/s. Die Größe und Masse der Fragmente war nicht bekannt. Wie weit diese Kometenstücke in die Gaswolke Jupiters vordringen würden, war auch unbekannt. Bekannt war, daß die Perlenkette permanent wuchs. Somit wurden die rund 21 Fragmente innerhalb einer Woche auf Jupiter stürzen. Sie wurden mit den Buchstaben von A bis W bezeichnet, wobei I und O nicht verwendet wurden.

Der Absturz übertraf alle Erwartungen: Bei dem Einschlag des relativ kleinen Fragmentes A konnte das Hubble - Weltraumteleskop eine gewaltige Explosionswolke aufsteigen sehen. Die Einschlagstelle A bot einen markanten dunklen Fleck, der sogar mit kleinsten Teleskopen (6 cm Öffnung) beobachtet werden konnte. Im Infrarotbreich glühte die Stelle grell auf. Die dunklen Flecken erreichten teilweise die Größe der Erde. An Hand dieser Phänomene kann man ermitteln, wie enorm groß die herrschende Energie sein mußte, um so ein Schauspiel entstehen zu lassen. Durch bessere Teleskope konnten sie Detailstrukturen der Flecke gesehen werden – ein extrem dunkler Kern, der von einem Ring umgeben und außen von einen grauen Halo begrenzt wird. Natürlich waren wieder Spektrographen und viele andere Maßgeräte im Einsatz, um neue Erkenntnisse über Jupiter und vielleicht über Kometen zu gewinnen. Zum ersten Mal seit langer Zeit hat man wieder S₂ im Jupiter entdeckt. Erwartungsgemäß wurde Ammoniak gefunden, aber kein klarer Hinweis auf H₂O. Wasser sollte ja die Hauptmasse der Kometen sein und eine tiefere Wolkenschicht sollte auch Wasser enthalten, aber die Kerne drangen offenbar nicht so tief vor. Methan hinterließ auffällige Spektrallinien. Dadurch vermutete man, daß Shoemaker Levy 9 reich an Kohlenstoff war, durch den die dunklen Flecken entstanden waren. Wie es zu den Explosionen gekommen war, ist unklar. Man vermutet, saß sich die Fragmente elektrisch aufgeladen haben und dann explodiert sind. Die Explosionen waren gewaltige Schauspiele. Es entstanden große Wolken und an den Einschlagstellen leuchtete Jupiter für Sekunden 2 bis 4% heller als sonst. Weil das Fragment A ein solch gewaltiges Schauspiel dargeboten hatte, erwartete man sich von scheinbar größeren Fragment B ein gewaltigeres Ereignis. Doch diese blieb aus. Eine mögliche Lösung wäre, daß das Fragment B auch in mehrere Teile zerbrochen war. Unglaublich ist, daß sich 1996 noch chemische Spuren der Einschläge auf Jupiter nachweisen ließen.

Hale - Bopp

Der Komet Hale - Bopp wurde in der Nacht vom 22. zum 23. Juli 1995 unabhängig voneinander durch zwei amerikanischen Amateurastronomen, Alan Hale aus Cloudcroft (New Mexico) und Thomas Bopp aus Glendale (Arizone), entdeckt.

Alan Hale ist ein begeisterter Kometenbeobachter, der zufällig den Nebel M 70 beobachtete und Hale - Bopp entdeckte. Er informierte umgehend das für solche zuständige IAU Central Bureau for Astronomical Telegrams (CBAT). Fast zur gleichen Zeit entdeckte Thomas Bopp, der auch den Nebel M 70 beobachtete, den Kometen entdeckte. Er meldete seine Entdeckung ebenfalls der CBAT und erfuhr am Morgen, daß es sich um einen neuentdeckten Kometen handelt. Man kann sagen, daß der Besuch von Hale- Bopp auch ein Jahrhundertereignis war, weil es sicher sehr selten vorkommt, daß man einen Kometen viele Wochen ohne Hilfsmittel bestaunen konnte. Bemerkenswert war, daß wieder Amateurastronome den Kometen entdeckt haben. Als der neue Komet bekannt war, wurden sofort Bahnberechnungen durchgeführt, die aber einige Male verbessert werden mußten. Interessant war, daß Hale - Bopp nicht dort stand, wo derart helle Kometen normalerweise gefunden werden, nämlich irgendwo zwischen Erd- und Marsbahn. Hale - Bopp war in jedem Fall ein außergewöhnlicher Komet. Noch nie zuvor war ein Komet, der sich eine Milliarde km von der Sonne befand, und damit noch nicht einmal die Bahn des Planeten Jupiter passiert hatte, so hell gesehen bzw. dort entdeckt worden. Das Ergebnis des Vergleiches von Komet Halley mit Hale - Bopp in einer Entfernung von 1 Milliarde km von der Sonne zeigt, daß Hale - Bopp 250 mal heller als Halley war. Seine große Helligkeit konnte einerseits bedeuten, daß er so groß ist, aber andererseits, daß er gerade starken Ausbruch erlitt. Kometen sind stets für Überraschungen immer gut. Zuerst sind sie scheinbar friedlich durch den Raum ziehende Kerne, aber plötzlich leuchten sie hell auf, weil sie aus irgendeinem Grund, der bis heute nicht bekannt ist Mengen an Staub und Gas freisetzen und ein gewaltiges Spektakel darbieten.

Durch Hale - Bopp werden auch Erinnerungen an Komet Kohoutek wach, weil dieser auch in einer großen Entfernung von der Sonne sehr hell war, dann aber die Erwartungen nicht erfüllte.

Hale - Bopp bewegt sich auf einer sehr langgestreckten Ellipse mit ca. 4200 Jahren Umlaufzeit, was bedeutet, daß der Komet nicht ein Neuer aus der Oortschen Wolke ist, sondern daß er bereits auf einer Bahn im inneren Sonnensystem war. Aber möglicherweise hat er diese Bahn noch nicht oft durchflogen, was auch ein Hinweis dafür sein kann, warum er so hell ist.

"Ideale Sichtbedingungen bestehen, wenn der Himmel dunkel ist und der Komet mindestens 10° hoch steht. Von Mitte Januar bis Ende März gibt es eine Sichtfenster am Morgenhimmel, und von Mitte März bis Ende April eines am Abendhimmel, das sie beste Zeit ist, um Hale Bopp zu betrachten, da er dann am hellsten sein wird."(Fischer 1997, S. 282)

Hale - Bopp ist weiterhin durch eine ungewöhnlich helle Koma zu charakterisieren. Zuerst besteht sie vor allem aus Staubteilchen, die das Sonnenlicht reflektierten. Eine Weile danach konnte bereits selbstleuchtendes Gas festgestellt worden. Das gefrorene Wasser aus dem der Kern hauptsächlich bestand, bleibt weiterhin fest, weil die Sonnendistanz noch zu groß war. Leichflüchtigere Moleküle lösten sich schon bei dieser Kälte aus dem Kern, wobei sie vom festen in den gasförmigen Zustand übergehen, was bedeutet, daß physikalisch gesehen Flüssigkeiten auf der Kernoberfläche nicht möglich sind. Kohlendioxid war das erste Gas in der Koma, das durch seine Strahlung im Radiobereich identifiziert wurde. CO ist das zweithäufigste Molekül in Kometenkernen und es etablierte sich als Treibgas der lange rätselhaften Aktivitäten kalter Kometenkerne weit draußen im Sonnensystem. Neben vielen anderen Stoffen ist auch Zyan im Kern gefunden worden. Die Größe von dem Kometen wird auf ca. 40 km geschätzt, höchstens aber auf 70 km.

Nachwort

Absicht dieser Fachbereichsarbeit war zu zeigen wie Kometen entstehen und woher sie kommen.

Außerdem berichtete ich über den Aufbau der Kometen, dessen Bahn und anderer wichtige Faktoren über Kometen.

Schlußendlich schilderte ich das Jahrhundertereignis, der Jupiter - Crash und die Halley -Armada. Natürlich fehlt das jüngste Ereignis, der Komet Hale - Bopp nicht.

Aus der gemeinsamen Entstehung von Kometen mit dem Sonnen - und Planetensystem erhoffte man sich, daß Kometen das Urmaterial enthalten. Leider gibt es dafür keine konkrete Beweise.

Die Kometen sind für mich die prachtvollsten Erscheinungen des Universums, die viele verborgene Geheimnisse besitzen.

Vielleicht habe ich mit dieser vorliegenden Arbeit auch beim Leser in Interesse an die Kometen geweckt.

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Bildnachweis

Abb.1. Kippenhan, Rudolf. Es begann mit Tycho und Halley. In: Sterne und Weltraum , 3/97, S. 210.

Abb.2. Brandt, John C.; Chapman, Robert D.. Rendezvous im Weltraum. Die Erforschung der Kometen, S. 45.

Abb.3. Brandt, John C.; Chapman, Robert D.. Rendezvous im Weltraum. Die Erforschung der Kometen, S. 76.

Abb.4. Brandt, John C.; Chapman, Robert D.. Rendezvous im Weltraum. Die Erforschung der Kometen, S. 12.

Abb.5. Brandt, John C.; Chapman, Robert D.. Rendezvous im Weltraum. Die Erforschung der Kometen, S. 59.

Abb.6. Brandt, John C.; Chapman, Robert D.. Rendezvous im Weltraum. Die Erforschung der Kometen, S. 202.

Abb.7. Brandt, John C.; Chapman, Robert D.. Rendezvous im Weltraum. Die Erforschung der Kometen, S. 69.

Abb.8. Schulz, Rita. Spielbälle der Sonne. In: Sterne und Weltraum, 3/97, S. 234-235.

Abb.9. Brandt, John C.; Chapman, Robert D.. Rendezvous im Weltraum. Die Erforschung der Kometen, S. 86.

Abb.10. Brandt, John C.; Chapman, Robert D.. Rendezvous im Weltraum. Die Erforschung der Kometen, S. 97.

Abb.11. Brandt, John C.; Chapman, Robert D.. Rendezvous im Weltraum. Die Erforschung der Kometen, S. 94.

Abb.12. Sexl; Raab; Streeruwitz. Physik 2, S. 66.

Abb.13. Brandt, John C.; Chapman, Robert D.. Rendezvous im Weltraum. Die Erforschung der Kometen, S. 124-125.

Abb.14. Brandt, John C.; Chapman, Robert D.. Rendezvous im Weltraum. Die Erforschung der Kometen, S. 150.

Abb.15. Möhlman, Diedrich; Sauer, Konrad; Wasch, Richard. Kometen, S. 40

Abb.16. Fischer, Daniel; Heuseler, Holger. Der Jupiter Crash, S. 38.

Abb. 17. Fischer, Daniel. Hale – Bopp ist da ! . In: Sterne und Weltraum, 3/97, S. 193.

(c) M. Inselsbacher

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