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Die detailliertesten Untersuchungen von Asteroiden stammen allerdings von Raumfahrtmissionen. In den letzten Jahren konnten mehrere Asteroiden mit Raumsonden vor Ort inspiziert werden. Die Raumsonde Galileo flog auf ihrer Reise zum Jupiter 1991 und 1993 nahe an den beiden Asteroiden (951) Gaspra und (243) Ida vorbei und entdeckte dabei an dem 60 Kilometer langen Asteroiden Ida den über einen Kilometer großen Mond, Dactyl.

Farbansicht des Asteroiden 243 Ida und seinem Mond Dactyl, aufgenommen von Galileo. (© NASA/JPL)Farbansicht des Asteroiden 243 Ida und seinem Mond Dactyl, aufgenommen von Galileo. (© NASA/JPL)Was man schon von photometrischen Lichtkurven her wusste, wurde mit den ersten Nahaufnahmen bestätigt: Asteroiden sind unregelmäßig geformte, rotierende Felsbrocken, die von Kratern übersät sind und sogar kleine Monde haben können.

Im Juni 1997 besuchte die amerikanischen Raumsonde NEAR (Near-Earth Asteroid Rendezvous, später in NEAR-Shoemaker umbenannt) auf ihrem Weg zum erdnahen Asteroiden Eros, den sie ab Februar 2000 ein Jahr lang umrundete, den etwa 50 Kilometer großen Asteroiden (253) Mathilde. Obwohl der Asteroid Mathilde dreimal größer ist als Eros, haben die NEAR-Messungen gezeigt, dass seine Dichte nur halb so groß ist wie die von Eros. Mathildas Dichte ist nur 30 Prozent größer als die von Wasser, was auf eine merkwürdig poröse Struktur hindeutet. Wahrscheinlich ist Mathilde eine lose Ansammlung von Schutt, dessen Bestandteile bei einer Kollision zweier Asteroiden freigesetzt wurden und nur durch ihre schwache Gravitationskräfte zusammengehalten werden. Vermutlich sind viele Asteroiden so beschaffen.

Ein weiterer kleiner NEA wurde von der japanischen Raumsonde Hayabusa untersucht, die im Mai 2003 zu (25143) Itokawa gestartet war. Nach der Ankunft im Jahre 2005 lieferte Hayabusa detaillierte Bilder und wissenschaftliche Daten von Itokawa. Das etwa 350 Meter große Objekt hat die Form einer länglichen Kartoffel und sieht genauso aus, wie Asteroidenforscher sich einen „Schutthaufen“ vorgestellt hatten: eine Ansammlung von Kollisionsfragmenten aus einem früheren Zusammenstoß zwischen zwei Asteroiden. Hayabusa hat sogar die Oberfläche von Itokawa berührt und Staubpartikel gesammelt. Nach einer Reise von über sieben Jahren ist Hayabusa am 13. Juni 2010 zur Erde zurückgekehrt. Eine kleine Rückkehrkapsel, in der die Staubpartikel von der Oberfläche zur Erde gebracht wurden, konnte in Australien geborgen werden. Es ist die erste Rückkehr einer Sonde, die im Missionsverlauf Bodenkontakt mit einem Asteroiden hatte. Aus der Analyse der Staubpartikel konnten wichtige Informationen über die Mineralogie und Geschichte des Asteroiden abgeleitet werden. Ende des Jahres 2014 gestartet, erreichte die Nachfolgemission Hayabusa2 2018 den Asteroiden Ryugu, nahm dort 2019 Proben und bringt diese bis Ende 2020 zur Erde zurück. Mit an Bord befand sich der am DLR entwickelte Lander MASCOT, der sich durch „Hüpfen“ auf der Oberfläche des Asteroiden bewegen und so Messungen an unterschiedlichen Stellen vornehmen konnte.

Die europäischen Kometensonde Rosetta ist am 5. September 2008 am Asteroiden (2867) Šteins und am 10. Juli 2010 am Asteroiden (21) Lutetia vorbeigeflogen. Beide Male gelangen Nahaufnahmen und vor allem konnte die Oberfläche des 100 Kilometer großen Asteroiden Lutetia sehr genau kartiert werden. Lutetia wurde auch von der Erde aus intensiv beobachtet und vermessen.

Die OSIRIS-REx-Mission der NASA wurde 2016 zum Asteroiden 1999 RQ36 (Bennu) gestartet, um ihn ab Sommer 2018 zunächst aus einer Umlaufbahn zu charakterisieren und anschließend auf seiner Oberfläche eine Probe zu entnehmen und diese zur Erde zu bringen.