Einfach erklärt
Die japanische Mission MMX soll die beiden kleinen Marsmonde Phobos und Deimos untersuchen. Sie wird Phobos aus der Nähe erkunden, ein kleines Fahrzeug auf seiner Oberfläche absetzen und eine Bodenprobe zur Erde bringen. Die Ergebnisse könnten zeigen, ob die Monde eingefangene Asteroiden sind oder aus Material entstanden, das bei einem gewaltigen Einschlag vom Mars ins All geschleudert wurde.
Zwei kleine Monde, viele große Fragen
Am 19. Oktober startete die japanische Raumsonde „Martian Moons eXploration“, kurz MMX. Ihr ungewöhnlicher Plan: Phobos anfliegen, ein Fahrzeug auf seiner Oberfläche absetzen, etwas Bodenmaterial einsammeln und die Probe anschließend zur Erde bringen. Die Mission soll nicht einfach nur zwei Himmelskörper besuchen, auf denen noch nie ein Rover gefahren ist. Sie geht einer größeren Frage nach: Wie sind die beiden Monde entstanden, und warum bewegen sie sich trotz ihrer geringen Größe auf so unterschiedlichen Bahnen um den Mars?
Die beiden unregelmäßig geformten Marsmonde wurden 1877 entdeckt. Auch jahrzehntelange Vorbeiflüge und Aufnahmen von Raumsonden haben ihre Entstehung nicht erklären können. Phobos, der größere der beiden, ist ein unförmiger Brocken von etwa 26 Kilometern Länge. Deimos misst rund 16 Kilometer. Im Vergleich zu Planeten sind beide winzig – für das Verständnis der Geschichte des Mars und seiner Umgebung spielen sie jedoch eine wichtige Rolle.
Die japanische Raumfahrtagentur JAXA führt die Mission durch. Der Flug zum Mars soll etwa ein Jahr dauern. Dort angekommen, wird die Sonde in eine Umlaufbahn um den Planeten einschwenken, von der aus sie sich Phobos nähern und ihn beobachten kann. Sie wird die Form des Mondes vermessen und seine Oberfläche kartieren sowie nach geeigneten Landestellen suchen. Deimos soll sie gelegentlich aus größerer Entfernung beobachten.
Ein sicherer Landeplatz ist entscheidend: Phobos hat keine ebene Oberfläche, und seine Schwerkraft ist äußerst schwach. Landung und Umgang mit dem Boden erfordern daher sorgfältige Planung. Nachdem die Ingenieurinnen und Ingenieure auf der Erde einen geeigneten Ort ausgewählt haben, soll die Raumsonde zunächst einen kleinen Rover aussetzen. Anschließend wird auch die Hauptsonde landen und eine Probe des Oberflächenmaterials einsammeln. Planmäßig soll sie die Probe 2031 zur Erde bringen. Hier kann sie mit hochentwickelten Geräten untersucht werden, die sich nicht alle ins All schicken lassen.
Ein kleiner Rover in einer fremden Welt
Mit an Bord ist der Rover IDEFIX. Sein Name stammt von dem kleinen Hund aus den französischen Asterix-Comics. Entwickelt wurde das Fahrzeug gemeinsam vom französischen Centre national d’études spatiales (CNES) und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Auf der Erde wiegt es etwa 24 Kilogramm – ungefähr so viel wie ein großer Schuhkarton. Mit ausgeklappten Solarzellen ist es etwas mehr als 1 Meter breit.
Gelingt die Landung, wird IDEFIX das erste Fahrzeug mit Rädern sein, das einen derart kleinen Himmelskörper erkundet. Zunächst wird die Raumsonde ihre Geschwindigkeit verringern und sich in einer Höhe zwischen 40 und 100 Metern über Phobos halten. Von dort setzt sie den Rover ab. Dieser sinkt dann durch die schwache Schwerkraft des Mondes nach unten, die nur etwa 1/1000 der Erdschwerkraft beträgt. Selbst aus dieser geringen Höhe kann der Abstieg mehrere Minuten dauern.
Der Rover dürfte mit weniger als 1 Meter pro Sekunde aufsetzen – ungefähr so schnell, wie ein Mensch geht. Langsam bedeutet jedoch nicht automatisch sicher: Es lässt sich nicht genau steuern, wie das Fahrzeug nach der Landung liegen bleibt. Deshalb ist sein Antrieb so konstruiert, dass es sich unabhängig von der Lage wieder aufrichten kann. So sollen am Ende die Räder auf dem Boden stehen und der Rover losfahren können.
Wie ungewöhnlich die Umgebung ist, zeigt schon das Gewicht des Rovers auf Phobos: Dort würde er nur etwa 15 Gramm wiegen, also ungefähr eine halbe Unze. Ein Spatz auf der Erde wiegt etwa doppelt so viel. IDEFIX soll aber nicht bloß hübsche Bilder aufnehmen. Das Fahrzeug wird die Temperatur des Bodens messen, seine Mineralien untersuchen und Spuren seiner Räder fotografieren. An diesen Spuren lässt sich ablesen, wie fest die Bodenkörner zusammenhalten und wie groß sie sind – wichtige Hinweise auf die Beschaffenheit der Oberfläche.
Aufgewühlter Boden als Archiv uralter Einschläge
Das Material, das die Sonde sammeln soll, heißt Regolith. Gemeint ist die lockere Schicht aus Gestein und Körnern, die durch Meteoriteneinschläge und Temperaturschwankungen zerkleinert wurde. Auf den ersten Blick wirkt sie vielleicht wie gewöhnlicher Staub. Tatsächlich bewahrt sie Spuren der Veränderungen, die Phobos erlebt hat. Die Größe und Festigkeit der Körner zu bestimmen und eine Probe anschließend auf der Erde zu analysieren, könnte zeigen, wie sich die Oberfläche verändert hat. So ließe sich auch prüfen, ob Phobos ein fester Gesteinskörper oder eher eine Ansammlung einzelner Brocken ist.
Phobos hat eine geringere Dichte, als man von einem kompakten Felsbrocken erwarten würde. Deshalb vermuten Forschende, dass er zumindest teilweise ein „Schutthaufen“ ist: Viele einzelne Teile liegen dicht beieinander und werden durch ihre gegenseitige Anziehung zusammengehalten. Kleine Asteroiden sind häufig ähnlich aufgebaut, doch wie solche Körper entstehen, ist noch nicht vollständig geklärt. Eine mögliche Erklärung: Ein heftiger Einschlag zertrümmerte einen Gesteinskörper, ohne seine Bruchstücke vollständig auseinanderzuschleudern. Später fanden die Teile durch die Schwerkraft wieder zusammen.
Falls Phobos auf diese Weise entstanden ist, können Messungen seiner Oberfläche und seines inneren Aufbaus helfen, Vorstellungen darüber zu überprüfen, was nach Einschlägen mit kleinen Himmelskörpern geschieht. Die Sonde wird also nicht nur untersuchen, aus welchem Material die Oberfläche besteht. Ihre Daten sollen auch zeigen, ob der Mond teilweise auseinanderbrach und sich anschließend neu zusammensetzte – und welche Spuren dieser Prozess in seiner Form und Dichte hinterlassen hat.
Hat der Mars zwei Asteroiden eingefangen?
Der Mars liegt nahe am inneren Rand des Hauptasteroidengürtels. Daher gibt es die Vermutung, dass Phobos und Deimos ursprünglich Asteroiden waren, die dem Planeten zu nahe kamen und von seiner Schwerkraft eingefangen wurden. Dafür spricht, dass ihre Zusammensetzung der Zusammensetzung mancher verbreiteter Asteroidentypen ähnelt. Doch die Ähnlichkeit des Materials löst das grundsätzliche Problem nicht: Ein vorbeifliegender Körper wird nicht ohne Weiteres zu einem Mond, der den Planeten umkreist.
Damit der Mars einen vorbeiziehenden Asteroiden dauerhaft festhalten kann, müsste dieser an Geschwindigkeit verlieren. Ein denkbares Szenario wäre, dass der Asteroid auf einer sehr genau passenden Bahn durch die obere Marsatmosphäre fliegt und dort gerade so weit abgebremst wird, dass er weder auf dem Planeten aufschlägt noch wieder ins All hinausfliegt. Eine solche genaue Abstimmung ist nicht unmöglich, macht einen direkten Einfang aber zu einer schwierigen Erklärung.
Ein Einfang wäre vielleicht leichter, wenn der Asteroid ursprünglich aus zwei Körpern bestanden hätte, die einander umkreisten. Dann könnte der Mars einen davon festhalten, während sich der andere entfernt und einen Teil der überschüssigen Energie mitnimmt. Dass es zwei Monde gibt, bedeutet allerdings nicht zwangsläufig, dass beide gemeinsam eingefangen wurden: Ihre Umlaufbahnen unterscheiden sich deutlich. Phobos kreist etwa 6000 Kilometer über der Marsoberfläche. Deimos ist mehr als 20.000 Kilometer von der Oberfläche entfernt. Selbst wenn dieses Szenario zutrifft, könnte es also zwei voneinander unabhängige Einfangereignisse erfordern.
Auch die Form der Umlaufbahnen wirft Fragen auf. Beide Monde bewegen sich auf nahezu kreisförmigen Bahnen über dem Marsäquator. Ein Asteroid, der erst vor Kurzem eingefangen wurde, sollte dagegen zunächst eine stärker gestreckte und geneigte Bahn haben. Im Prinzip könnten der Widerstand der Marsatmosphäre und die Gezeitenkräfte des Planeten die Umlaufbahn mit der Zeit kreisförmiger machen. Dieser Prozess wäre allerdings sehr langsam und könnte Milliarden Jahre dauern. Deshalb ist weiterhin unklar, ob Deimos überhaupt genug Zeit hatte, auf diese Weise seine heutige Bahn zu erreichen.
Ein uralter Einschlag – oder ein zerbrochener Mond
Eine andere Erklärung führt die beiden Monde auf ein Ereignis auf dem Mars selbst zurück. Ein großer Asteroid könnte auf dem Planeten eingeschlagen und Gestein ins All geschleudert haben. Aus diesem Material könnten sich anschließend Monde gebildet haben. Ein ähnliches Beispiel gibt es in der Nachbarschaft: Der Erdmond soll entstanden sein, als ein etwa marsgroßer Körper mit der jungen Erde zusammenstieß. Dabei wurden gewaltige Mengen Gestein ins All geschleudert, die sich schließlich in einer Umlaufbahn um die Erde sammelten.
Einige Hinweise deuten darauf hin, dass die Zusammensetzung der Marsmonde der des Roten Planeten ähnelt. Das macht einen gemeinsamen Ursprung plausibler. Doch wenn beide Monde bei demselben Einschlag entstanden sind, stellt sich die Frage, warum ihre Umlaufbahnen heute so verschieden sind. Vielleicht bildeten sich bei dem Ereignis mehrere Körper um den Mars, von denen nur Phobos und Deimos übrig blieben. Es könnte aber auch andere Erklärungen geben, die noch nicht gefunden wurden. Aufnahmen der Oberfläche allein reichen jedenfalls nicht immer aus, um die Entstehungsgeschichte zu rekonstruieren.
Eine neuere Idee geht von einem anderen Ablauf aus: Möglicherweise entstand zunächst ein einzelner Mond – entweder gleichzeitig mit dem Mars oder nach einem späteren Einschlag. Dieser Mond könnte dann selbst von einem Einschlag getroffen und teilweise zertrümmert worden sein. Phobos und Deimos wären demnach die übrig gebliebenen Bruchstücke. Diese Vorstellung könnte erklären, warum beide auf kreisförmigen Bahnen über dem Äquator liegen und zugleich unterschiedlich weit vom Mars entfernt sind. Solange es sich jedoch nur um eine Hypothese handelt, sind direkte Messungen und Proben nötig, um sie zu überprüfen.
Eine Mission, die aus früheren Fehlschlägen lernt
Der Versuch, Phobos zu erreichen, ist nicht neu. Die sowjetischen Missionen Phobos 1 und Phobos 2 scheiterten, und auch die russisch-chinesische Mission Fobos-Grunt erreichte ihr Ziel nicht. Weitere Marsmissionen waren ebenfalls erfolglos. In der Raumfahrt machte deshalb der Witz von einem imaginären Monster die Runde, das Sonden verschlingt, bevor sie den Mars erreichen. Der Scherz ändert jedoch nichts daran, dass eine Mission zum Mars oder zu einem seiner Monde eine lange Kette präzise ausgeführter Schritte erfordert.
Das Ziel macht die Aufgabe besonders anspruchsvoll: Phobos ist klein und seine Schwerkraft schwach. Die Sonde muss sich der Oberfläche nähern, landen, eine Probe einsammeln und anschließend wieder starten. Alle diese Schritte hängen voneinander ab – angefangen bei der Wahl des Landeplatzes bis hin zur Frage, ob der Rover so zum Stehen kommt, dass er seine Arbeit aufnehmen kann. MMX verbindet deshalb die Beobachtung aus dem Orbit mit der Erkundung durch ein Fahrzeug auf der Oberfläche und dem Rücktransport von Material zur Erde. Die Mission beschränkt sich nicht auf einen kurzen Vorbeiflug oder Aufnahmen aus der Ferne.
Fazit
MMX soll Phobos und Deimos von rätselhaften Lichtpunkten neben dem Mars zu Himmelskörpern machen, deren Entstehung sich anhand konkreter Belege untersuchen lässt. Die Sonde wird Phobos aus der Nähe erkunden, seine Oberfläche kartieren und den 24 Kilogramm schweren Rover IDEFIX absetzen. Außerdem soll sie eine Probe sammeln, die 2031 auf der Erde eintrifft. Während der Reise wird sie auch Deimos beobachten. Die Messungen sind wichtig, weil mehrere Erklärungen miteinander konkurrieren: Die Monde könnten eingefangene Asteroiden sein, aus Material eines Einschlags auf dem Mars entstanden sein oder die Überreste eines älteren, zerbrochenen Mondes darstellen. Eine kleine Probe wird nicht jede Frage beantworten. Sie liefert den Forschenden aber Material, das sie direkt vergleichen und analysieren können – und eröffnet damit neue Wege, die Geschichte der Marsmonde und kleiner Gesteinskörper besser zu verstehen.