Ungebetene Gäste: Außerirdische Moleküle im Orbit erdnaher Asteroiden

Wir wissen, dass neben den acht Planeten auch Asteroiden und Kometen in Größen von Metern bis zu Hunderten von Kilometern im Sonnensystem umherwandern. Wir bezeichnen sie zusammenfassend als kleine Körper des Sonnensystems. Bisher wurden im Sonnensystem fast 1,2 Millionen kleine Himmelskörper entdeckt (bei den meisten handelt es sich um Asteroiden, bei denen keine Aktivität beobachtet wurde) und ihre Zahl steigt von Jahr zu Jahr weiter an.

Bahnverteilung derzeit entdeckter Asteroiden im inneren Sonnensystem | Quelle: Autor

Die meisten Asteroiden befinden sich im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter und werden als Hauptgürtel-Asteroiden bezeichnet. Im Allgemeinen umkreisen diese schönen Asteroiden die Sonne sicher auf ihren eigenen elliptischen Bahnen und leben in Frieden miteinander, es besteht jedoch immer eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass sie miteinander kollidieren und eine große Zahl von Fragmenten mit unterschiedlichen Bahnen erzeugen. Darüber hinaus kann es aufgrund der Gravitationsstörungen großer Planeten und komplexer thermischer physikalischer Effekte zu einer Verschiebung der Umlaufbahn von Asteroiden kommen, sogar bis in den erdnahen Raum. Astronomen klassifizieren Asteroiden, deren Periheldistanz weniger als 1,3 AE beträgt (AE ist die astronomische Einheit, die durchschnittliche Entfernung zwischen Sonne und Erde), als erdnahe Asteroiden.

Verglichen mit den Asteroiden des Hauptgürtels sind erdnahen Asteroiden vermutlich nicht so niedlich, da ihre Umlaufbahnen im Laufe ihrer Entwicklung drastischeren und häufigeren Änderungen unterliegen und sie sogar die Erdumlaufbahn kreuzen könnten, wodurch die Gefahr einer Kollision mit der Erde besteht (unter ihnen werden jene mit einem Durchmesser von mehr als 140 Metern und einem Mindestschnittabstand von 0,05 AE mit der Erde als potenziell bedrohliche erdnahe Asteroiden bezeichnet, und bisher wurden 2.275 von ihnen entdeckt). Aus diesem Grund beobachten Astronomen aus verschiedenen Ländern erdnahen Asteroiden mit großer Aufmerksamkeit.

Bisher entdeckte Umlaufbahnverteilung potenziell bedrohlicher erdnaher Asteroiden | Quelle: Autor

Kürzlich, am 11. März 2022, wurde ein erdnahen Asteroid mit der Nummer 2022 EB5 zwei Stunden vor seinem Einsturz in die Erdatmosphäre beobachtet. Glücklicherweise war dieser Asteroid nur etwa 1 Meter groß und verglühte nach dem Eintritt in die Atmosphäre, was einen Fehlalarm auslöste.

Die Umlaufbahn von 2022 EB5 vor dem Aufprall auf die Erde (um den dreidimensionalen Effekt besser darzustellen, ist die Senkrechte der Asteroidenbahn zur Ekliptikebene eingezeichnet) | Quelle: astorb.com

Da erdnahen Asteroiden eine potenzielle Sicherheitsbedrohung für die Erde darstellen können, ist die genaue Messung und Vorhersage ihrer Umlaufbahnen ein wichtiges Forschungsthema. Dieser Aspekt ist jedoch nicht Gegenstand dieses Artikels. Dieser Artikel zielt in erster Linie darauf ab, interessierten Lesern die Umlaufbahnkonfiguration erdnaher Asteroiden näherzubringen, insbesondere einige seltsame und interessante Fälle.

Tatsächlich haben Astronomen erdnahen Asteroiden anhand ihrer elliptischen Umlaufbahn, ihrer großen Halbachse sowie ihrer Perihel- und Apheldistanz in vier Kategorien unterteilt: Amor, Aten, Apollo und Atina. Auf diese Einteilungen gehen wir hier nicht näher ein. Interessierte Leser können die Unterschiede durch eine Suche auf Baidu herausfinden. Dieser Artikel konzentriert sich auf einige interessante erdnahen Asteroiden mit extremen Umlaufbahneigenschaften oder speziellen Umlaufbahngeometriekonfigurationen.

2017 UR52 – Drei Rekorde: flachste Umlaufbahn, längste Periode und größte Aphelentfernung

Lassen Sie uns zunächst den erdnahen Asteroiden 2017 UR52 vorstellen, der drei „Weltrekorde“ gebrochen hat. Der Asteroid hat einen Durchmesser von etwa 200 Metern und wurde am 29. Oktober 2017 vom Catalina Sky Survey-Teleskop entdeckt. Als er entdeckt wurde, befand sich der Asteroid kurz davor, sein Perihel zu erreichen, mit einer heliozentrischen Geschwindigkeit von 37 Kilometern pro Sekunde. Die Umlaufzeit von 2017 UR52 beträgt über 5000 Jahre, was ihn zum erdnahen Asteroiden mit der längsten Umlaufzeit (d. h. der größten großen Halbachse) macht, der bisher entdeckt wurde. Darüber hinaus erreicht die Exzentrizität des Asteroiden 0,9957, was ihn zum erdnahen Asteroiden mit der flachsten Umlaufbahn macht, die bisher entdeckt wurde. Schließlich kann aufgrund seiner größten großen Halbachse und seiner größten Exzentrizität gefolgert werden, dass es sich auch um den erdnahen Asteroiden mit der größten bisher entdeckten Apogäumsdistanz handelt. Er erreicht 584 AE, was dem 19-fachen des durchschnittlichen Umlaufradius von Neptun entspricht. Tatsächlich ähnelt die Umlaufbahn von 2017 UR52 der eines langperiodischen Kometen, da er jedoch bei Erreichen des Perihels nicht aktiv war, wurde er nicht als Komet klassifiziert.

Schematische Darstellung der Umlaufbahn des erdnahen Asteroiden 2017 UR52 | Quelle: astorb.com

2005 HC4 – zwei Rekorde: kürzeste Periheldistanz und schnellster Lauf

2005 HC4 ist ein erdnahen Asteroid mit einem Durchmesser von etwa 250 Metern, der am 30. April 2005 vom Lowell-Observatorium entdeckt wurde. Der Asteroid hat eine große Exzentrizität von 0,961 und ein Perihel von 0,071 AE, was ihn zum erdnahen Asteroiden mit der kleinsten bisher entdeckten Periheldistanz macht, nämlich dem 0,23-fachen Abstand zwischen Merkur und Sonne (stellen Sie sich vor, wie heiß er wäre, wenn er sein Perihel erreicht). Unter Berücksichtigung seiner großen Halbachse von 1,821 AE lässt sich berechnen, dass seine Geschwindigkeit im Perihel 157 Kilometer pro Sekunde beträgt. Damit ist er der erdnahe Asteroid mit der höchsten Momentangeschwindigkeit in einer heliozentrischen Umlaufbahn, der bisher entdeckt wurde.

Schematische Darstellung der Umlaufbahn des erdnahen Asteroiden 2005 HC4 | Quelle: astorb.com

2021 PH27 - kürzeste Umlaufzeit

Im Gegensatz zu 2017 UR52 hat der am 13. August 2021 entdeckte erdnahe Asteroid 2021 PH27 (ca. 1 km Durchmesser) die kürzeste Umlaufzeit mit einer großen Halbachse von 0,462 AE, einer Exzentrizität von 0,712 und einer Umlaufzeit von nur 0,314 Jahren. Der Asteroid befindet sich vollständig innerhalb der Erdumlaufbahn, deshalb wird er auch als intraerdiger Asteroid bezeichnet. Aus der Sicht von Beobachtern auf der Erde gibt es aufgrund des kleinen relativen Winkels zwischen dem Asteroiden und der Sonne jedoch relativ wenige Möglichkeiten, ihn zu beobachten. Im Allgemeinen kann es nur in der Morgen- oder Abenddämmerung beobachtet werden, wenn der Asteroid sein Aphel erreicht und die Erde sich zufällig in der richtigen Position befindet.

Schematische Darstellung der Umlaufbahn des erdnahen Asteroiden 2021 PH27 | Quelle: astorb.com

„Storm and Wind Retrograde“ – Retrograder erdnaher Asteroid

Wir wissen, dass die Bahnneigung der meisten großen Planeten im Sonnensystem nahe 0° liegt und sie sich in einer „prograden“ Richtung um die Sonne drehen. Dieses Phänomen hängt mit der Tatsache zusammen, dass sich in der frühen Phase der Entstehung des Sonnensystems die meiste Materie in der protoplanetaren Scheibe konzentrierte. Die meisten erdnahen Asteroiden umkreisen die Erde ebenfalls in einer „prograden“ Bewegung (Bahnneigung unter 90°), es gibt jedoch immer noch eine kleine Anzahl erdnaher Asteroiden, die aufgrund komplexer Mechanismen Bahnneigungen über 90° aufweisen. Diese werden als „retrograde“ erdnahe Asteroiden bezeichnet. Derzeit sind fünf erdnahen Asteroiden dieses Typs bekannt: 2014 PP69 (Inklination 93,7°), 2017 UR52 (Inklination 108,3°), 2019 EJ3 (Inklination 139,8°), (343158) Marsyas (Inklination 154,4°) und 2020 BZ12 (Inklination 165,5°).

Einige Studien haben gezeigt, dass die 3:1-Bahnresonanz zwischen Asteroiden und Jupiter (das heißt, das Verhältnis der Umlaufzeiten von Jupiter und Asteroiden beträgt 3:1) der Grund für die Entstehung solcher Asteroiden sein könnte. Einige Wissenschaftler glauben auch, dass retrograde erdnahe Asteroiden mit der Bahnentwicklung hochexzentrischer Kometen in Zusammenhang stehen. Tatsächlich hat die Gesamtzahl der im Sonnensystem entdeckten retrograden Asteroiden, zusätzlich zu den erdnahen Asteroiden, 122 erreicht. Diese „Retrograde“ haben bei Forschern auf dem Gebiet der Himmelsmechanik großes Interesse geweckt, und es wurden zahlreiche Studien zum Ursprung und Migrationsmechanismus ihrer Umlaufbahnen, ihrer Umlaufdauer und ihren Verteilungseigenschaften durchgeführt.

Schematische Darstellung der Umlaufbahn des erdnahen Asteroiden 2020 BZ12 | Quelle: astorb.com

Erdnahe Asteroiden vom Typ „Inward“/„Outward“

Als nächstes betrachten wir zwei Arten erdnaher Asteroiden mit etwas speziellen Orbitalgeometrien: „eingeschriebene“ und „ausgeschriebene“ erdnahe Asteroiden. Das „innere“ oder „äußere“ bezieht sich hier auf die Erdumlaufbahn, d. h. das Aphel oder Perihel der Umlaufbahn des Asteroiden berührt die Erdumlaufbahn (das Aphel oder Perihel liegt zwischen 0,983 und 1,017 AE). Beispielsweise gehören (325102) 2008 EY5 und (100085) 1992 UY4 zur ersten bzw. letzteren Kategorie. Obwohl ihre Umlaufbahngeometrie „schön“ erscheint, stellen sie zweifellos eine potenzielle Bedrohung für die Sicherheit der Erde dar. Wenn die Exzentrizität größer als 0,2 ist, beträgt die Zahl der bisher entdeckten „exo-inschriftlichen“ erdnahen Asteroiden 2.319, während die Zahl der „intro-inschriftlichen“ erdnahen Asteroiden nur 66 beträgt, also 35-mal so groß wie die Zahl der letzteren. Ein solch großer Unterschied in der Anzahl hängt mit der tatsächlichen Populationsverteilung zusammen, kann aber auch mit dem „Selektionseffekt“ bei der Beobachtung zusammenhängen.

Schematische Darstellung der Umlaufbahn des erdnahen Asteroiden (325102) 2008 EY5 | Quelle: astorb.com

Schematische Darstellung der Umlaufbahn des erdnahen Asteroiden 1992 UY4 | Quelle: astorb.com

2016 HO3 – Der „Quasi-Satellit“ der Erde

Wenn die Umlaufzeit eines erdnahen Asteroiden sehr nahe an der der Erde liegt und eine 1:1-Bahnresonanz entsteht, spricht man von einem koorbitalen Asteroiden. Da die Umlaufbahn der Erde eine gewisse Exzentrizität aufweist, ist ihre Winkelgeschwindigkeit um die Sonne nicht konstant; und wenn man bedenkt, dass die Umlaufbahnen von Asteroiden zudem oft eine gewisse Exzentrizität aufweisen, führt dies letztlich dazu, dass die Bewegung des Asteroiden relativ zur Erde im rotierenden Koordinatensystem Sonne-Erde zyklisch erscheinen kann. Befindet sich das Zentrum dieses Zyklus zufällig in der Nähe der Erde (liegt das Zentrum am trigonometrischen Librationspunkt Sonne-Erde, etwa 60 Grad vor und nach der Erdumlaufbahn, wird der Asteroid als „Trojanischer“ Erdasteroid bezeichnet), dann scheint der Asteroid aus der Perspektive der Erde die Erde zu „umkreisen“. Diese Art kleiner Himmelskörper wird als erdnaher Asteroid vom Typ „Quasi-Satellit“ bezeichnet. Dies liegt daran, dass dieses Phänomen hauptsächlich auf die Orbitalgeometrie zurückzuführen ist. Seine tatsächliche Entfernung vom Erdmittelpunkt ist viel größer als die Reichweite der Erdanziehungskraft. Daher ist es nicht wie beim Mond, der tatsächlich unter der Kontrolle der Erdanziehungskraft die Erde umkreist.

Bisher wurden fünf Quasi-Satelliten-Asteroiden entdeckt. Der bekannteste ist (469219) Kamoʻoalewa (oder 2016 HO3) mit einem Durchmesser von etwa 40 Metern. Dieser Asteroid ist das Ziel der zukünftigen Weltraumerkundung meines Landes. Dem Plan zufolge werden wir auf diesem Asteroiden landen, Forschungsproben sammeln und sie zur Erde zurückbringen. 2016 HO3 weist von den fünf bisher entdeckten Quasi-Satelliten die beste Orbitalstabilität auf. Es wird erwartet, dass er in den nächsten 300 Jahren ein „Quasi-Satellit“ bleibt und in den nächsten 1 Million Jahren in derselben Umlaufbahn wie die Erde verharrt.

Abbildung Schematische Darstellung der Umlaufbahn des erdnahen Asteroiden 2016 HO3 in den nächsten 100 Jahren im rotierenden Koordinatensystem Sonne-Erde | Quelle: astorb.com

2020 CD3——„Mini Moon“

Wenn ein erdnaher Asteroid mit relativ geringer Geschwindigkeit in das Erde-Mond-System eintritt, kann er vom Erde-Mond-System eingefangen werden und zu einem natürlichen Satelliten der Erde werden. Da die Bahnenergie von Asteroiden nach dem Einfangen jedoch noch relativ groß ist, entwickeln sie sich im Laufe der Zeit im Allgemeinen weiter und entkommen schließlich der Anziehungskraft des Erde-Mond-Systems. Daher können solche Asteroiden nur als temporäre Satelliten der Erde betrachtet werden.

2020 CD3, entdeckt von der Catalina Sky Survey am 15. Februar 2020, ist ein solcher erdnahen Asteroid (mit einem geschätzten Durchmesser von nur etwa 3 Metern). Durch die Verfolgung seiner Umlaufbahn stellte man fest, dass der Asteroid vermutlich etwa im September 2017 von der Schwerkraft des Erde-Mond-Systems erfasst wurde, dann in einer komplexen Gravitationsumgebung die Erde umkreiste und das Erde-Mond-System im Mai 2020 verließ. Nach seiner Entdeckung erregte der Asteroid großes öffentliches Interesse und wurde einst als „Mini-Mond“ der Erde bezeichnet.

Die Umlaufbewegung von 2020 CD3 (lila), nachdem es von der Erde (blauer Punkt) erfasst wurde, wobei Gelb die Mondumlaufbahn darstellt. | Bildquelle: Wikipedia

2010 TK7 und 2020 XL5 – Trojanische Asteroiden auf der Erde

Auf der Erdumlaufbahnebene wird die Position, die sich auf derselben Umlaufbahn wie die Erde befindet und 60° vor und nach der Erde liegt, als trigonometrischer Sonne-Erde-Librationspunkt (oder Sonne-Erde-Lagrange-L4-, L5-Punkt) bezeichnet. Wenn ein Asteroid in der Nähe des dreieckigen Librationspunkts zwischen Sonne und Erde hin- und herfliegt, wird er als „Trojanischer Asteroid der Erde“ bezeichnet. Verglichen mit dem Librationspunkt des Sonne-Jupiter-Dreiecks ist der Librationspunkt des Sonne-Erde-Dreiecks weniger stabil, sodass es für Asteroiden im Allgemeinen schwierig ist, sich hier für längere Zeit aufzuhalten. Man glaubte zunächst, dass es auf der Erde keine jupiterähnlichen Trojaner-Asteroiden gäbe, bis das US-Weltraumteleskop WISE im Oktober 2010 in der Nähe des L4-Punktes den ersten Trojaner-Asteroiden entdeckte – 2010 TK7, der etwa 300 Meter groß ist. Untersuchungen zeigen, dass 2010 TK7 möglicherweise vor etwa 1.800 Jahren in der Nähe des L4-Punkts der Erde „eingefangen“ wurde und 15.000 Jahre später zum L5-Punkt gewandert ist, oder dass er „entkam“ und für die Erde kein Trojaner-Asteroid mehr war.

Schematische Darstellung der fünf Lagrange-Punkte Sonne-Erde, wobei L4 und L5 jeweils 60° vor und hinter der Erde liegen. | Bildquelle: Wikipedia

Die Suche nach den Trojaner-Asteroiden der Erde hat nicht aufgehört. Im Jahr 2017 suchten die US-amerikanische Asteroidensonde OSIRIS-REx und die japanische Asteroidensonde Hayabusa 2 bei ihren Flügen die Regionen L4 und L5 der Erde ab, fanden jedoch leider nichts. Die gute Nachricht ist, dass das US-amerikanische Pan-STARRS-Programm zehn Jahre später, am 12. Dezember 2020, den zweiten Sonne-Erde-Asteroiden der Stufe L4 entdeckte: 2020 XL5. Dieser Asteroid hat einen größeren Durchmesser von 1,2 Kilometern. Bahnberechnungen deuten darauf hin, dass der Asteroid vor etwa 500 Jahren als Erdtrojaner „eingefangen“ wurde und in 4000 Jahren seine derzeitige Umlaufbahn verlassen wird.

Verglichen mit anderen Arten erdnaher Asteroiden stellen diese beiden Trojaner-Asteroiden eine wesentlich geringere Bedrohung für die Sicherheit der Erde dar. Zumindest besteht für Tausende von Jahren kein Grund zur Sorge, dass sie mit der Erde kollidieren könnten. Dennoch sind diese Asteroiden von erheblichem wissenschaftlichen Interesse, da ihre einzigartigen dynamischen Eigenschaften uns wichtige Hinweise auf die frühe Entstehungsgeschichte des Sonnensystems liefern. Darüber hinaus haben einige Wissenschaftler auch darauf hingewiesen, dass die erdnahen Trojaner-Asteroiden mit geringer Neigung aufgrund ihrer einfachen Erreichbarkeit als Weltraumbasen zur Erforschung des Sonnensystems dienen und möglicherweise sogar Gegenstand der Erschließung von Weltraumressourcen sein könnten.

Die Umlaufbahn des Asteroiden 2010 TK7 im rotierenden Koordinatensystem Sonne-Erde | Quelle: Wikipedia

Zusammenfassend stellen wir fest, dass die Umlaufbahnen erdnaher Asteroiden tatsächlich bizarr sind. Die Erforschung ihrer Bahneigenschaften, ihres Ursprungs und ihrer Entwicklung kann uns helfen, die dynamische Umgebung während der Entstehung des Sonnensystems besser zu verstehen. Darüber hinaus kann die Menschheit untersuchen, wie sie sich gegen erdnahe Asteroiden verteidigen kann, die die Sicherheit der Erde bedrohen.

Quellen:

1. https://www.minorplanetcenter.net/

2. https://academic.oup.com/mnras/article/462/4/3441/2589984

3. http://trs-new.jpl.nasa.gov/dspace/bitstream/2014/ 31429/1/95-1108.pdf

4. https://academic.oup.com/mnras/article/446/2/1867/2893013

5. https://central.bac-lac.gc.ca/.item?id=TC-BVAU-37251&op=pdf&app=Library&oclc_number=1033018583

6. https://astronomical.fandom.com/wiki/2020_CD3

7. http://www.astorb.com

Über den Autor

Hu Shoucun

Assoziierter Forscher am Planetary Science and Deep Space Exploration Laboratory, Purple Mountain Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften. Forschungsgebiet: Dynamik sowie Entstehung und Entwicklung kleiner Körper im Sonnensystem.

Rotierender Chefredakteur: Wang Ying

Herausgeber: Wang Kechao