Astronomie in der Sandkiste: Querschläger und Asteroiden

Wenn es in den Massenmedien um Asteroiden geht, dann meistens darum dass die Dinger auf die Erde fallen (könnten). Was sie in der Realität sehr selten tun; zumindest die großen und gefährlichen. In der Wissenschaft ist der Blick auf die kosmischen Felsbrocken deutlich vielfältiger. Und eine Forschergruppe um Esteban Wright von der Universität Rochester in den USA haben kürzlich untersucht was passiert, wenn Felsbrocken AUF Asteroiden fallen („Ricochets on Asteroids“). Das klingt seltsam: Warum will man sowas wissen? Gegenfrage: Warum sollte man so etwas nicht wissen wollen?

Aber ganz im (wissenschaftlichen) Ernst: Es ist durchaus sehr sinnvoll zu untersuchen was passiert, wenn kleinere Felsbrocken auf Asteroiden treffen. Denn erstens kollidieren Asteroiden natürlich auch untereinander und wenn wir diese Himmelskörper verstehen wollen, dann müssen wir auch im Detail verstehen was da abgeht. Das Verhalten von Asteroiden bei einer Kollision sagt uns zum Beispiel einiges über ihre Zusammensetzung. Bei so einem Zusammenstoß zwischen Asteroiden entstehen auch jede Menge Trümmerteile die eine Zeit lang die größeren Brocken umkreisen und dann irgendwann später dort einschlagen. Diesen Prozess will man verstehen wenn man wissen will, wie Asteroiden sich verhalten und wie sich ihre Oberfläche im Laufe der Zeit verändert. Unter welchen Umständen schlagen die kollidieren Objekte Krater auf dem Asteroiden? Unter welchen Umständen schubbern sie einfach nur ein bisschen über dessen Oberfläche? Unter welchen Umständen prallen sie ab und hüpfen quasi wieder aus dem Krater heraus den sie geschlagen haben? All das haben Wright und seine Kollegen untersucht.

Dazu haben sie Experimente durchgeführt. Nicht mit echten Asteroiden – obwohl ich voll dafür wäre, eine entsprechende Mission auszustatten die im Weltall Asteroiden mit kleinen Projektilen beschießt! Aber das war wohl für diese Arbeit zu aufwendig weswegen man sich auf Laborexperimente beschränkt hat. Man hat Murmeln in Sand geworfen und auch wenn das nicht sehr wissenschaftlich klingt hat man es höchst seriös durchgeführt. Die Glaskugel (mit 5,57 Gramm und 16,15 mm Durchmesser) wurde über ein Pendel mit einer Geschwindigkeit von einigen Metern pro Sekunde in den Sand geschleuert um sicher zu stellen dass sie möglichst wenig rotiert. Das ganze wurde mich Hochgeschwindigkeitskameras gefilmt und ausgewertet.

So sah das Setup im Labor aus:

Und hier sind Beispiele für die oben beschriebenen drei Möglichkeiten Arten wie so eine Kollision ausgehen kann:

Aber wovon hängt es jetzt genau ab, ob ein Objekt im Einschlagskrater liegen bleibt, weiter rollt oder abprallt? Im Wesentlichen von der Einschlagsgeschwindigkeit und dem Einschlagswinkel, wie dieses Diagramm zeigt:

Auf der x-Achse sieht man die Einschlagsgeschwindigkeit (oben in Meter/Sekunde angegeben) und auf der y-Achse den Einschlagswinkel. Die roten Symbole zeigen Abpraller, grün/blau sind rollende Einschläge und in schwarz/dunkelrot sieht man die Liegenbleiber. Die Grenze zwischen Abprallern und den anderen Varianten ist durch eine orangene Kurve gezogen für die Wright und seine Kollegen auch ein mathematisches Modell entwickelt haben.

Die ganze Arbeit war noch wesentlich ausführlicher als das, was ich bis jetzt beschrieben habe. Man hat zum Beispiel auch vermessen, wie genau und in welche Richtung(en) sich die Kugel während des ganzen Prozesses dreht; welchen Einfluss die Reibung hat und wie sie sich in Abhängigkeit der Einschlagsparameter verändert; wie sich die Geschwindigkeit ändert (also die Beschleunigung der Kugel während sie sich über den Sand bewegen). Und natürlich haben sie auch untersucht wie sich das ganze verändert wenn man es nicht mit Erdschwerkraft sondern den Bedingungen im All zu tun hat. Wirklich exakt kann man das aber nur verstehen, wenn man die Experimente auch unter Mikrogravitation durchführen würde, zum Beispiel in der Internationalen Raumstation. Vielleicht schmeißen also bald die Astronautinnen und Astronauten im All Murmeln in weltraumtaugliche Sandkisten 😉 Und das meine ich durchaus ernst: Wenn wir verstehen wollen wie Asteroiden funktionieren, dann sind das absolut sinnvolle und wertvolle Experimente. Man ist nie zu alt um sich in Sandkisten zu amüsieren!