Zum ersten Mal befindet sich mit der Vesta-Sonde Dawn ein Forschungssatellit im Umlauf um einen großen Asteroiden und kann diesen so genau unter die Lupe nehmen wie nie zuvor. Mit Hilfe von Dawn bewiesen die Missionswissenschaftler nun, dass Vesta ein Protoplanet aus der Frühzeit des Sonnensystems ist und stellten ihre Topografie, die Geschichte ihrer kosmischen Kollisionen und die Mineralogie in insgesamt sechs parallelen Veröffentlichungen im Fachmagazin Science vor.

Seit dem 16. Juli 2011 umrundet die NASA-Sonde Dawn den zweitgrößten Asteroiden Vesta im Hauptgürtel zwischen den Bahnen der Planeten Mars und Jupiter. In der ersten dreiwöchigen Phase der Mission kartierte Dawn den Himmelskörper aus einer Höhe von rund 2700 Kilometern, danach wurde die Bahn zuerst auf rund 700 Kilometer und schließlich im Dezember 2011 auf nur noch 210 Kilometer Höhe abgesenkt. Zwei Kameras lieferten verschiedene Ansichten der Oberfläche: Schwarzweiß-Stereobilder wurden ebenso geschossen wie Aufnahmen in insgesamt fünf Farbbändern im sichtbaren und nahen infraroten Licht. Insgesamt konnten bislang jedoch nur 80 Prozent der Oberfläche kartiert werden. Die Rotationsachse der Vesta ist stark geneigt, so dass derzeit ein Teil der Nordhalbkugel noch unsichtbar im ständigen Dunkel der Polarnacht liegt.

Hochgenaue Messungen

Aus den Stereoaufnahmen konstruierten die Astronomen ein 3-D-Modell des Asteroiden und bestimmte sein Volumen mit einer Genauigkeit von rund einem Prozent. Bisherige Schätzungen, die auf Aufnahmen des Weltraumteleskops Hubble basierten, hatten Fehler von mehr als zehn Prozent. Aus der genauen Verfolgung der Bahn von Dawn ermittelten die Forscher die Masse von Vesta um einen Faktor 30 000 genauer als zuvor. Zum einen lässt sich daraus die Dichte des Asteroiden abschätzen, die mit einer Zusammensetzung aus vor allem silikatreichem Gestein zu vereinen ist. Die Messungen weisen außerdem auf einen Eisenkern von rund 220 Kilometer Durchmesser hin, der somit fast die Hälfte des Vestadurchmessers von rund 530 Kilometern erreicht. Schließlich konnte die bereits relativ genau bekannte Rotationsperiode des Asteroiden von rund fünf Stunden noch präziser bestimmt werden.

Die mineralogischen Untersuchungen der Astronomen zeigen, dass die Zusammensetzung von Vesta eher derjenigen von erdähnlichen Planeten entspricht als derjenigen, die typischerweise bei Asteroiden angetroffen wird. Vesta entstand vermutlich bereits rund zwei Millionen nach der Geburt des Sonnensystems und zählt damit zu den ältesten Himmelskörpern, die unsere Sonne umlaufen. Zu dieser Zeit war das Sonnensystem reich an kurzlebigen Radionukliden, deren Zerfallswärme den entstehenden Asteroiden soweit aufheizte, dass er in seinem Inneren schmolz und in eine Silikathülle und einen Eisenkern differenzierte. Nach den neuen Untersuchungen ist auch nicht auszuschließen, dass Vesta einstmals sogar vollständig aufgeschmolzen war und somit an ihrer Oberfläche einen Magmaozean hatte.

Schon seit langem spekulierten Astronomen, dass rund sechs Prozent aller auf der Erde gefundenen Meteoriten Bruchstücke der Vesta sein könnten. Sie wären durch Einschläge auf dem fernen Himmelskörper zuerst ins All und schließlich auf unseren Heimatplaneten gelangt. Diese so genannten Howardit-Eukrit-Diogenit-Meteorite (HED-Meteorite) dienten daher als Abbild der Zusammensetzung des Kleinplaneten.

Gewaltige Einschlagbecken

Die Untersuchungen der NASA-Sonde bestätigen nun diese Vermutung. Rheasilvia, ein rund 500 Kilometer messendes Einschlagbecken am Südpol des Asteroiden ist aller Wahrscheinlichkeit nach der Ursprung der HED-Meteorite und einer ganzen Klasse von kleineren Asteroiden. Der Einschlag vor rund einer Milliarde Jahren hinterließ nicht nur den gewaltigen Krater mit einem Zentralberg, der fast so hoch wie der Marsvulkan Olympus Mons ist, sondern schlug auch zwischen zwei und vier Prozent der gesamten Vestamasse heraus. Ungefähr die Hälfte der Materie regnete auf den Asteroiden zurück und formte eine mehrere Kilometer dicke Gesteinsschicht. Die andere Hälfte gelangte in den Weltraum und wurde zu den vestaähnlichen Asteroiden und den auf der Erde gefundenen Meteoriten.

Der gewaltige Einschlag, der Rheasilvia formte, war nicht der erste. Schon zuvor muss sich eine vergleichbare Kollision auf Vesta ereignet haben. Davon zeugt das ebenfalls am Südpol befindliche Einschlagsbecken Veneneia mit einem Durchmesser von 400 Kilometern, das zur Hälfte durch den Rheasilvia-Einschlag zerstört wurde. Ein dritter, 250 Kilometer großer älterer Einschlagkrater ist ebenfalls nur noch stark erodiert sichtbar.

In Rheasilivia befindet sich nicht nur der hohe Zentralberg, sondern weitere spiralförmige Strukturen, die sich von der Mitte aus über den gesamten Boden des Einschlagbeckens aus erstrecken. In kleinerem Maßstab sind diese Gebilde vom Mond bekannt, in vergleichbarer Größe jedoch an keinem anderen Ort des Sonnensystems. Die Astronomen vermuten, dass ein Zusammenspiel von Corioliskraft und nach innen rutschendem Krustengestein nach dem Einschlag die Bildung der Spiralen verursachte.

Mysteriöse Furchen

Doch die beiden großen Einschläge hinterließen nicht nur die Becken Rheasilivia und Veneneia, sie erschütterten den gesamten Asteroiden in seinen Grundfesten. Fast 90 bis zu 15 Kilometer breite Furchen mit Längen zwischen 19 und 380 Kilometern umziehen den Asteroiden konzentrisch nahe dem Äquator und in der nördlichen Halbkugel. Ihr Verlauf liegt stets einer Ebene, so wie die Kreisebenen, die sich ergeben, wenn man eine Orange mit einem langen Messer durchschneidet. Auf der Vesta fanden die Astronomen zwei verschiedene Gruppen paralleler Ebenen, denen sich die Kreise zuordnen ließen. Die Mittelsenkrechten der Kreisebenen weisen dabei auf die Mittelpunkte der beiden großen Einschlagbecken am Südpol. Die Entstehung der Furchen ist mit großer Wahrscheinlichkeit auf diese Zusammenstöße im All zurückzuführen.

Doch nicht nur die großen Einschläge haben Vesta in ihrer Vergangenheit gezeichnet. Die Wissenschaftler identifizierten eine Vielzahl von Kratern mit Durchmessern von mehr als vier Kilometern auf den erstellten Karten der Oberfläche. Besonders auffällig ist die hohe Dichte kleiner Krater auf der nördlichen Halbkugel. Da die Nordhemisphäre keine großen Einschläge erlitt, haben sich dort die Einschlagkrater ungestört über Jahrmilliarden hinweg angesammelt. Die Untersuchung aller Einschlagspuren bietet Einblicke in die innere Zusammensetzung des Planetoiden, da die Einschläge teils Material aus dem Untergrund auswarfen.

Die Astronomen stießen auf vielerlei unerwartete Strukturen auf der Oberfläche. Einige Kraterböden und Vertiefungen sind überraschend glatt und eben und scheinen jüngeren Datums als die Einschlagkrater zu sein. Ihr Ursprung ist unbekannt, möglicherweise spielten Vulkanismus oder nach dem Einschlag geschmolzenes Gestein eine Rolle. Fast überall findet sich sehr dunkles Material auf der Vesta, das vermutlich durch kohlenstoffreiche Meteoriteneinschläge, dunkles Untergrundmaterial oder Impaktschmelzen entstand.

Die Wissenschaftler fanden bislang keine eindeutigen Spuren von Vulkangestein, obwohl die Analyse der HED-Meteoriten Hinweise auf vergangene vulkanische Aktivität geliefert hatte. Sie vermuten daher, dass lediglich in den ersten 100 Millionen Jahren ausreichend hohe Temperaturen im Inneren des Asteroiden herrschten, um den Vulkanismus zu befeuern. Nach der darauf folgenden schnellen Abkühlung versiegte die Aktivität, und ihre Spuren wurden in den Jahrmilliarden des Meteoritenbombardements verwischt.

Dawn wird noch bis Ende August 2012 die Vesta im All begleiten und weiterhin genau unter die Lupe nehmen. Danach bricht die Sonde mit ihren Ionentriebwerk zum Zwergplaneten Ceres auf. Sie wird den Himmelskörper, der groß genug ist, um als Zwergplanet zu gelten, voraussichtlich im Februar 2015 erreichen und diesen für fünf Monate erforschen.