Der Kometenkern und seine Aktivität

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1 Der Kometenkern und seine Aktivität Instrumente auf der Raumsonde mit Beteiligung der MaxPlanck-Institute für Aeronomie und Extraterrestrische Physik H. Uwe Keller (MPAE) P CONSERT Cometary Nucleus Sounding Experiment by Radiowave Transmission P MIRO Microwave Spectrometer for the Rosetta Orbiter P ROSINA / RTOF Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis / Reflectron Time of Flight P COSIMA Cometary Secondary Ion Mass Spectrometer P OSIRIS Optical, Spectroscopic, and InfraRed Imaging System

2 Kometenforschung mit dem Orbiter Globale wissenschaftliche Fragestellungen der Rosetta Mission:! Ursprung und Entstehung der Kometen! Chemische Eigenschaften und physikalische Prozesse des frühen Planetensystems! Physikalische Prozesse der kometaren Aktivität Max-Planck-Institute sind an 5 der 10 Instrumente auf der Raumsonde wesentlich beteiligt: - an Instrumenten, die die globale Struktur des Kerns bestimmen - an Geräten zur Analyse der chemischen Zusammensetzung der flüchtigen (gasförmigen) und festen (Staub) Bestandteile - an Instrumenten, die die physikalischen Eigenschaften des Kerns und die Prozesse seiner Aktivität untersuchen

3 Komet Borelly (DS-1 Mission 2001) Komet Halley (Giotto Mission 1986)

4 Vergleich Rosetta - Giotto Rosetta Giotto Missionslänge 2 J = h ½h Datenmenge (OSIRIS - HMC) 160 Gbit 35 Mbit Beste Auflösung (pro Bildpunkt) 2 cm 50 m Max. Zahl von Bildpunkten auf Oberfläche (r = 500 m) 1,2 105 (r = 5 km) Moleküle pro Flächeneinheit bei gleicher Entfernung vom Kern über Missionsdauer etwa gleich groß Bei 10 km (Rosetta) anstelle von 1000 km (Giotto) Verhältnis

5 CONSERT Einblick in die innere Struktur des Kerns Sondierung mit Radiowellen (90 MHz) Orbiter und Lander spielen zusammen Tomographie im Planetensystem MPAE: E. Nielsen Projektleitung: W. Kofman, CEPHAG, Frankreich! Ist der Kometenkerns aus Unterkernen zusammengesetzt?! Was lernen wir aus ihrer Größenverteilung über die Agglomeration der Kometesimalen und damit der Planeten?! Wie wichtig sind destruktive Zusammenstöße?! Welche elektrischen Eigenschaften hat der Kometenkern?

6 MIRO Höchste spektrale Aulösung im Mikrowellenbereich Geringer Leistungsverbrauch Ein fliegendes Radioteleskop en miniature Die physikalische Eigenschaften (Dichte, T und v) der Hauptgaskomponente in der Koma (Wasser) werden gemessen Aufheizung und Abkühlung der Gaskoma beeinflussen viele Eigenschaften des Kometen MPAE: P. Hartogh Projektleitung: S. Gulkis, JPL, USA! In welchen Mengen entweichen Wasserdampf, Kohlenmonoxid, Ammoniak und Methanol aus dem Kometenkern?! Wie ändert sich die Ausgasrate mit der Annäherung an die Sonne?! Wie sieht die Geschwindigkeits- und Temperaturverteilung innerhalb der Kometenatmosphäre aus?! Wie ändert sich die Oberflächentemperatur des Kometenkerns mit der Annäherung an die Sonne?

7 ROSINA 3 Instrumenteinheiten: RTOF Flugzeitmassenspektrometer DFMS Doppelfokussierendes Massenspektrometer COPS Drucksensor - höchste Auflösung durch Mehrfachflugstrecke (m/ m 3000) - weltführende Hochgeschwindigkeitselektronik - Auflösung besser als 1 Nanosek. (10-9 s) MPAE: A. Korth Projektleitung: H. Balsiger, U. Bern, Schweiz

8 Polimerisiertes Formaldehyd (POM) Mögliche Erklärung (Huebner 1987) Giotto PICCA Instrument Positive Ionen (Korth et al. 1986) Meßzeit < 5 Minuten!

9 ROSINA 3 Instrumenteinheiten: RTOF Flugzeitmassenspektrometer DFMS Doppelfokussierendes Massenspektrometer COPS Drucksensor - höchste Auflösung durch Mehrfachflugstrecke (m/ m 3000) - weltführende Hochgeschwindigkeitselektronik - Auflösung besser als 1 Nanosek. (10-9 s)

10 ROSINA 3 Instrumenteinheiten: RTOF Flugzeitmassenspektrometer DFMS Doppelfokussierendes Massenspektrometer COPS Drucksensor - höchste Auflösung durch Mehrfachflugstrecke (m/ m 3000) - weltführende Hochgeschwindigkeitselektronik - Auflösung besser als 1 Nanosek. (10-9 s)! Was ist die chemische Zusammensetzung des Kometen?! Was verraten uns die Isotopenverhältnisse über den Ursprung und die Entstehung von Kometen?! Welchen Einfluß haben chemische Reaktionen und der Sonnenwind?! Welche komplexe organischen Moleküle finden sich in Kometen?! Wie vergleicht sich die Zusammensetzung mit interstellaren Verbindungen?

11 COSIMA Projektleitung: J. Kissel, MPE, Deutschland Operationsweise des chemische Labors im Weltraum: 1) Sammeln von Staub auf einem Substrat 2) Suchen der Körnchen mit dem COSISCOPE 3)(a) Vor die Öffnung des Spektrometers schieben (b) Reinigen durch Sputtering, wenn notwendig (c) Charakterisierung des Teilchens 4) Detaillierte Analyse lohnend? 5) Analyse im positiven und negativen Ionenmodus 6) Chemische Manipulation 7) Analyse im positiven und negativen Ionenmodus 8) Zum nächsten Partikel ein Flugzeit Sekundärionen Massenspektrometer zur Analyse von Kometenstaub Staubeintritt (nicht sichtbar) Probenmanipulationseinheit Probendarstellung (COSISCOPE) Ionenquelle (nicht sichtbar) Ionenquelle (PIBS) Massenspektrometer Elektronik

12 Massenspektren von Teilchen aufgenommen bei den VEGA und Giotto Vorbeiflügen am Kometen Halley 1986 (Kissel et al.) Ein Gemisch aus organischen und mineralogischen Verbindungen

13 COSIMA Projektleitung: J. Kissel, MPE, Deutschland Operationsweise des chemische Labors im Weltraum: 1) Sammeln von Staub auf einem Substrat 2) Suchen der Körnchen mit dem COSISCOPE 3)(a) Vor die Öffnung des Spektrometers schieben (b) Reinigen durch Sputtering, wenn notwendig (c) Charakterisierung des Teilchens 4) Detaillierte Analyse lohnend? 5) Analyse im positiven und negativen Ionenmodus 6) Chemische Manipulation 7) Analyse im positiven und negativen Ionenmodus 8) Zum nächsten Partikel! Woraus bestehen die kometaren nicht flüchtigen Bestandteile?! Welche organische und anorganische Komponenten kommen vor?! Sind die Teilchen interstellaren Ursprungs?! Wie ist die (molekulare) Struktur der Teilchen?! In welchen chemischen Zuständen befinden sich die Staubteilchen?! Physikalische Eigenschaften der Partikel?! Wie verändern sich die Teilchen bei Annäherung des Kometen and die Sonne?

14 OSIRIS Wissenschaftliches Kamerasystem! Optimiertes Duo aus Weitwinkel- und Telekamera! Schiefspiegler, damit Streulicht minimiert wird! Fortschrittliche optische Entwürfe! Modernste 2k x 2k Hochleistungsdetektoren (CCD)! Daraus resultierende große Gesichtsfelder mit hoher Auflösung! Empfindlichkeit von UV (250 nm) bis Infrarot (1 m)! 30 Filter für Beobachtung des Kerns (NAC) und der Koma (WAC)! Entdeckung des Kometen von > 1 Mio km! Erste Auflösung des Kometen von ca km! Höchste Auflösung besser als 4 cm von 1 km Entfernung! Suche des Landeplatzes für den Lander Projektleitung: H. U. Keller, MPAE, Deutschland NAC WAC Navigation cameras

15 Wide Angle Camera Radiator Primary OSIRIS OSIRIS NAC 3-D Design Filter Wheel Door Door Mechanism

16 OSIRIS Wissenschaftliches Kamerasystem! Optimiertes Duo aus Weitwinkel- und Telekamera! Schiefspiegler, damit Streulicht minimiert wird! Fortschrittliche optische Entwürfe! Modernste 2k x 2k Hochleistungsdetektoren (CCD)! Daraus resultierende große Gesichtsfelder mit hoher Auflösung! Empfindlichkeit von UV (250 nm) bis Infrarot (1 m)! 30 Filter für Beobachtung des Kerns (NAC) und der Koma (WAC)! Entdeckung des Kometen von > 1 Mio km! Erste Auflösung des Kometen von ca km! Höchste Auflösung besser als 4 cm von 1 km Entfernung! Suche des Landeplatzes für den Lander! Wie sieht der Kometenkern im Detail aus? Größe, Volumen, Form, Rotation Oberflächenstruktur, Aufbau, Homogenität, Aktivität! Wie entwickelt sich und funktioniert seine Aktivität?! Wie entstehen Ausbrüche?! Wie sind die Dichten und Strömungsverhältnisse von Gas und Staub in Kernnähe?! Wieviel Masse (Staub und Gas) verliert der Kern?! Wie ist der Kern strukturiert?! Was können wir über die Entstehung von Kometenkernen und damit des Planetensystems lernen?! Welche Kräfte wirken auf den Kern ein, wie komplex ist seine Rotation?

17 - Innere Strukturen CONSERT Die Koma des Kometen - Topographie OSIRIS - Gas ROSINA (in situ), MIRO, OSIRIS - Oberflächenbeschaffenheit OSIRIS - Staub COSIMA (in situ), OSIRIS Der Kern Komet Borelly (DS-1 Mission) Komet Halley (Giotto Mission)

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