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WAS SIND KOMETEN?

ÜBERBLICK

Kometen gehören zu den kleinen, aber dafür ungeheuer zahlreichen Mitgliedern unseres Planetensystems. Im Unterschied zu den Asteroiden, die massive Felsblöcke oder, wie man seit neuestem ziemlich sicher weiß, in einigen Fällen auch lockere Ansammlungen von Gesteinsschutt sind, handelt es sich bei Kometen um "Schmutzige Schneebälle". Gefrorene Gase und Wasser bilden einen mit Felsbrocken und Staub durchsetzten Eisklumpen. Entstanden sind diese Gebilde zusammen mit dem übrigen Sonnensystem. Seitdem, so nimmt man an, umkreisen wahrscheinlich Milliarden, vielleicht auch Billionen von Ihnen die Sonne in mehr als einem halben Lichtjahr Entfernung in der Oortschen Wolke. Bewiesen ist inzwischen die Existenz des Kuiper-Gürtels, eines Schwarms eisiger Körper, die außerhalb der Neptunbahn kreisen. Durch gravitative Störungen nahe vorbeiziehender Sterne, die Gezeiten der Milchstraße (Oortsche Wolke) oder durch die grossen Planeten (Kuiper Gürtel) wird ab und an ein solcher Eisbrocken aus seiner Bahn gerissen und nimmt Kurs auf das innere Planetensystem. Wenn er sich der Sonne nähert, erwärmt er sich und die gefrorenen Gase sublimieren. Dadurch werden auch die mit Ihnen verbackenen festen Partikel freigesetzt. Um den meist nur wenige Kilometer grossen Eisbrocken, den Kometenkern bildet sich eine bis zu 100000 km und mehr durchmessende Wolke aus Gas und Partikeln, die Koma. Durch den Sonnenwind werden Gasmoleküle und Staub aus der Koma herausgerissen - der Kometenschweif bildet sich. Er kann eine Länge von bis zu 100 Millionen Kilometern erreichen. Aus dem unscheinbaren "schmutzigen Schneeball" ist eine imposante Himmelserscheinung geworden.

Wenn er nicht in die Sonne stürzt, was durchaus vorkommt, entschwindet der Komet nach seiner Galavorstellung wieder in die Fernen des Kuiper-Gürtels oder der Oortschen Wolke, um erst nach Jahrtausenden, Jahrmillionen oder auch niemals zurückzukehren. Andere Kometen werden durch die gravitativen Einflüsse der grossen Planeten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun auf eine elliptische Bahn gezwungen, auf der sie bereits nach wenigen Jahren oder Jahrzehnten wieder in Sonnennähe gelangen. Das berühmteste Beispiel eines solchen kurzperiodischen Kometen ist der Halleysche Komet. Auch der Komet Ikeya-Zhang gehört faktisch in diese Kategorie, wird aber definitionsgemäß zu den langperiodischen Kometen gerechnet, weil seine Umlaufzeit mehr als 200 Jahre (nämlich 341 Jahre) beträgt.

Aufbau eines Kometen
Aufbau eines Kometen. Der Gasschweif ist durch den Sonnenwind im 180-Winkel von der Sonne weggerichtet,
während der Staubschweif etwas hinter dem Kopf des Kometen zurückbleibt. (NASA)

KERN

Die Kerne von Kometen entziehen sich zumeist der direkten Beobachtung. In Sonnennähe werden sie von der Koma verhüllt. Ist keine Koma vorhanden, so befinden sie sich soweit von Sonne und Erde entfernt, dass auch mit den größten Teleskopen Details nicht erkennbar sind. Erst die seit den 1980er-Jahren durchgeführten Raumfahrt-Missionen zu mehreren Kometen brachten einen Durchbruch in der Erforschung ihrer Kerne. Sie präsentierten sich den Kameras der Raumsonden als extrem dunkle Gebilde, welche nur wenige Prozent des einfallenden Sonnenlichts reflektieren. Lediglich kleine Gebiete der Oberfläche sind aktiv und geben in als Jets bezeichneten Fontänen Gas und Staub in den umgebenden Weltraum ab. Offenbar ist der größte Teil des Kerns von einer schwarzen Kruste bedeckt, welche aus Staub und (vermutlich) komplexen Kohlenstoffverbindungen besteht. Sie entsteht durch Material, dass im Laufe zahlreicher Sonnenannäherungen zun¨chst aus dem Kern freigesetzt wird und sich dann auf ihm absetzt. Mit zunehmender Mächtigkeit isoliert diese Schicht das im Inneren des Kerns noch vorhandene Eis vor der Sonneneinstrahlung und somit vor weiterer Sublimierung.

Die bislang besuchten Kometen haben sich den Raumsonden eher als Felsbrocken mit Eiseinlagerungen denn als "Schmutzige Schneebälle" präsentiert. Doch überraschender Weise wurde die Dichte von 1P/Halley zu lediglich 0.55g/cm bestimmt; das ist nicht nur viel geringer als bei solidem Fels (etwa 3.5g/cm), sondern auch weniger als bei als Wasser (1g/cm). Dieser Befund lässt sich mit ausgedehnten Hohlraumsystemen im Inneren des Kerns erklären. Nach dem "Rubble Pile-Modell" sind die Kometenkerne durch Aneinanderlagerung zahlreicher kleinerer Körper (Kometesimale) entstanden. Zwischen diesen Untereinheiten befinden sich Hohlräume, welche leer oder mit Eis gefüllt sein können. Die Kometesimale haben sich ihrerseits aus noch kleineren Vorläufern gebildet, welche wiederum durch Zusammenlagerung von Staub entstanden sind ein Prozess der als Hierarchische Akkretion bezeichnet wird.

Kometenkern
Der Kern des Kometen 103P/Hartley, aufgenommen von der Raumsonde EPOXI am 03./04.11.2010.
Die aktiven Gebiete sind durch die Jets gut erkennbar.(NASA)

KOMA

Sobald sich ein Kometenkern der Sonne bis auf einige Astronomische Einheiten angenähert hat, beginnt das Eis durch die zunehmende Einstrahlung zu sublimieren. Die freigesetzten Gase können von der geringen Schwerkraft des Kerns kaum festgehalten werden und verteilen sich daher in seiner Umgebung, wo sie allmählich die Koma des Kometen ausbilden. Diese besteht ganz überwiegend nicht mehr aus den zunächst sublimierten Muttermolekülen, sondern aus Tochtermolekülen, welche sich durch die Einwirkung der harten Ultraviolett- und Röntgenstrahlung der Sonne aus erstgenannten bilden. So dissoziiert H2O in Wasserstoff (H) und Hydroxyl (OH); letzteres wird weiter in Sauerstoff (O) und Wasserstoff gespalten. Dieser diffundiert aus der sichtbaren Koma hinaus und bildet eine wesentlich größere, bis zu einigen Millionen Kilometern durchmessende äußere Wasserstoffkoma. Sie kann im sichtbaren Licht nicht wahrgenommen werden, wohl aber im UV-Licht, welches sie abstrahlt.
Neben den Spaltungsprodukten des Wassers hat man in den Komae von Kometen u.a. Ameisensäure, Essigsäure, Ethylenglykol, Methanol, Formaldehyd und Blausäure nachgewiesen. Weitere Folgen der energiereichen Sonnenstrahlung sind die Ionisierung von Molekülen und die Anregung sowohl von neutralen Molekülen als auch von Ionen. In den Komae von Kometen dominieren blaue und blassgrüne Farbtöne, welche durch die Anregung von Kohlenmonoxid, Cyan (CN) und Di-Kohlenstoff (C2) hervorgerufen werden.

Mit zunehmender Annäherung an die Sonne steigt die Aktivität eines Kometen an; immer mehr Staub und Gesteinsbrocken werden von den Gasfontänen mitgerissen und sammeln sich ebenfalls in der Koma. Je staubreicher diese ist desto mehr tritt das Eigenleuchten der angeregten Moleküle in den Hintergrund. Stattdessen dominiert jetzt eine gelblich-weiße Farbe, welche durch Streuung des sichtbaren Sonnenlichts an den Staubpartikeln und Reflektion an größeren Brocken erzeugt wird.
In den Komae vieler Kometen werden markante Strukturen beobachtet. Dabei handelt es sich um Kugelschalen und Spiralen. In ihnen spiegeln sich die Ausgasungsjets des Kometenkerns wider, welche durch die Rotation des Kometenkerns ihr Material ähnlich wie ein Rasensprenger verteilen.

SCHWEIF

Der Sonnenwind besteht aus geladenen Partikeln und führt daher ein Magnetfeld mit sich. Geraten geladene Molek&uum;le (= Ionen) der Kometenkoma in den Sonnenwind, so werden sie von diesem mitgeführt. Auf diese Weise bildet sich der Gasschweif eines Kometen aus, welcher durch das Eigenleuchten angeregter Moleküle sichtbar ist. Da der Sonnenwind sich stets von der Sonne weg bewegt, ist auch der Gasschweif eines Kometen immer in einem 180-Winkel zur Sonne ausgerichtet. Statt vom Gasschweif spricht man auch vom Ionenschweif, weil es sich um geladene Gasmoleküle handelt. Da ein ionisiertes Gas als Plasma bezeichnet wird, trifft man auch den Begriff Plasmaschweif häufig an.
Staubpartikel verlassen ebenfalls die Koma und bilden den Staubschweif des Kometen. Hierfür ist der Strahlungsdruck des Sonnenlicht verantwortlich. Da seine Kraft sehr gering ist, wirkt er sich auf kleine Partikel stärker aus als auf größere. Weil der von der Sonne weg gerichtete Strahlungsdruck entgegen der zur Sonne hin gerichteten Gravitation wirkt, drückt er die Staubteilchen vom Kometen weg nach auen. Dadurch verringert sich ihre Umlaufgeschwindigkeit um die Sonne und sie bleiben hinter dem Kometen zurück. Je größer ein Staubpartikel ist desto weniger unterliegt es dem Strahlungsdruck und umso weniger bleibt es hinter dem Kometen zurück. Es tritt also eine Sortierung der Partikel nach ihrer Größe ein. Daher ist ein Staubschweif häufig breit aufgefächert und gekrümmt, sodass er in einem kleineren Winkel als 180 von der Sonne wegzeigt. Im Unterschied zu Gasschweifen geben Staubschweife kein eigenes Licht ab, sondern streuen lediglich Sonnenlicht. Daher besitzen sie eine weiße bis schwach gelbliche Färbung .

Auf sehr große Staubkörner und Gesteinsbrocken wirkt sich der Strahlungsdruck kaum aus. Sie entfernen sich lediglich durch den Impuls, den sie bei ihrem Ausstoß aus dem Kern erhalten haben, von diesem und verteilen sich überwiegend in einem diskusförmigen Raumvolumen um den Kometenkopf. Wenn die Erde die Bahnebene des Kometen kreuzt, blicken wir von der Seite auf diesen Diskus, welcher dann durch die in Sichtrichtung hohe Partikeldichte als Gegenschweif sichtbar wird. Natürlich ist die Partikelscheibe auch im Bereich des Schweifs vorhanden, wird dort aber durch diesen weitgehend überstrahlt. Das wohl berühmteste Beispiel für einen Kometen mit Gegenschweif ist C/1956 R1 (Arend-Roland). Ein Gegenschweif-Effekt kann auch dann zu Stande kommen, wenn Gas- und Staubschweif eines Kometen deutlich getrennt sind und letzterer zugleich relativ zur Erde eine solche Position einnimmt, das die beiden Schweife aus unserem Blickwinkel in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Dies war z.B. bei Komet Lulin (C/2007 N3) im Februar 2009 der Fall.

Kometenschweif
Komet West (C/1975 V1) am 09.03.1976 mit bläulichem Gasschweif und weißem Staubschweif. (NASA)