Princeton-Forscher enthüllen die gewalttätigen Ursprünge des Geminiden-Meteorschauers

Illustration der Raumsonde Parker Solar Probe, die sich der Sonne nähert. Wissenschaftler aus Princeton nutzten die Daten der Parker Solar Probe der NASA, um daraus zu schließen, dass ein heftiges, katastrophales Ereignis – etwa eine Hochgeschwindigkeitskollision oder eine Gasexplosion – wahrscheinlich den Geminiden-Meteoritenstrom verursacht hat, der ungewöhnlicherweise eher von einem Asteroiden als von einem Kometen stammt. Bildnachweis: Labor für Angewandte Physik der Johns Hopkins University

Princeton-Forscher verwendeten Daten von[{” attribute=””>NASA’s Parker Solar Probe to deduce that a catastrophic event likely created the prolific Geminids meteoroid stream.

Unlike most meteor showers which originate from comets, the Geminids appear to stem from the asteroid 3200 Phaethon. The researchers modeled three potential formation scenarios and compared these to models developed from Earth-based observations. The data from the Parker Solar Probe led them to discount the traditional cometary model and conclude that a violent event likely created the Geminids stream, deepening our understanding of the composition and history of asteroids.

The Geminids meteoroids light up the sky as they race past Earth each winter, producing one of the most intense meteor showers in our night sky.

Mysteries surrounding the origin of this meteoroid stream have long fascinated scientists because, while most meteor showers are created when a comet emits a tail of ice and dust, the Geminids stem from an asteroid — a chunk of rock that normally does not produce a tail. Until recently, the Geminids had only been studied from Earth.

Each winter, the Geminids meteoroids light up the sky as they race past Earth, producing one of the most intense meteor showers in our night sky. Until now, the Geminids had only been studied from Earth.

Now, Princeton researchers used observations from NASA’s Parker Solar Probe mission to deduce that it was likely a violent, catastrophic event — such as a high-speed collision with another body or a gaseous explosion — that created the Geminids. The findings, which were published in the Planetary Science Journal on June 15, narrow down hypotheses about this asteroid’s composition and history that would explain its unconventional behavior.

“Asteroids are like little time capsules for the formation of our solar system,” said Jamey Szalay, research scholar at the Princeton University space physics laboratory and co-author on the paper. “They were formed when our solar system was formed, and understanding their composition gives us another piece of the story.”

An unusual asteroid

Unlike most known meteor showers that come from comets, which are made of ice and dust, the Geminids stream seems to originate from an asteroid — a chunk of rock and metal — called 3200 Phaethon.

“Most meteoroid streams are formed via a cometary mechanism, it’s unusual that this one seems to be from an asteroid,” said Wolf Cukier, undergraduate class of 2024 at Princeton and lead author on the paper.

“Additionally, the stream is orbiting slightly outside of its parent body when it’s closest to the sun, which isn’t obvious to explain just by looking at it,” he added, referring to a recent study with Parker Solar Probe images of the Geminids led by Karl Battams of the Naval Research Laboratory.

Princeton-Forscher nutzten Beobachtungen der Parker Solar Probe-Mission der NASA, um zu folgern, dass es sich wahrscheinlich um ein heftiges, katastrophales Ereignis handelte – etwa eine Hochgeschwindigkeitskollision mit einem anderen Körper oder eine Gasexplosion –, das den Geminiden-Meteoritenstrom erzeugte. Bildnachweis: NASA/Johns Hopkins APL/Ben Smith

Wenn sich ein Komet der Sonne nähert, wird er heißer, wodurch das Eis auf der Oberfläche einen Gasschweif freisetzt, der wiederum kleine Eis- und Staubstücke mit sich zieht. Dieses Material wandert weiterhin hinter dem Kometen her, während es in der Anziehungskraft der Sonne bleibt. Im Laufe der Zeit füllt dieser wiederholte Prozess die Umlaufbahn des Mutterkörpers mit Material und bildet einen Meteoritenstrom.

Da Asteroiden wie 3200 Phaethon jedoch aus Gestein und Metall bestehen, werden sie im Gegensatz zu Kometen normalerweise nicht von der Hitze der Sonne beeinflusst, sodass Wissenschaftler sich fragen, was die Entstehung des Stroms von 3200 Phaethon am Nachthimmel verursacht.

„Was wirklich seltsam ist, ist, dass wir wissen, dass 3200 Phaethon ein Asteroid ist, aber während er an der Sonne vorbeifliegt, scheint er eine Art temperaturbedingte Aktivität zu haben“, sagte Szalay. „Die meisten Asteroiden tun das nicht.“

Einige Forscher haben vermutet, dass es sich bei 3200 Phaethon tatsächlich um einen Kometen handeln könnte, der seinen gesamten Schnee verloren hat und nur noch einen felsigen Kern übrig hat, der einem Asteroiden ähnelt. Die neuen Daten der Parker Solar Probe zeigen jedoch, dass, obwohl ein Teil der Aktivität von 3200 Phaethon mit der Temperatur zusammenhängt, die Entstehung des Geminidenstroms wahrscheinlich nicht durch einen Kometenmechanismus, sondern durch etwas viel Katastrophaleres verursacht wurde.

Öffnen der Zeitkapsel

Um mehr über den Ursprung des Geminids-Stroms zu erfahren, verwendeten Cukier und Szalay die neuen Daten der Parker Solar Probe, um drei mögliche Entstehungsszenarien zu modellieren, und verglichen diese Modelle dann mit bestehenden Modellen, die aus erdbasierten Beobachtungen erstellt wurden.

„Es gibt das sogenannte ‚Grundmodell‘ der Entstehung eines Meteoritenstroms und das ‚gewalttätige‘ Entstehungsmodell“, sagte Cukier. „Es wird ‚einfach‘ genannt, weil es am einfachsten zu modellieren ist, aber in Wirklichkeit sind diese Prozesse beide gewalttätig, nur unterschiedlich stark ausgeprägt.“

Erdnaher Asteroid 3200 Phaethon. Bildnachweis: Arecibo Observatory/NASA/NSF

Diese verschiedenen Modelle spiegeln die Kette von Ereignissen wider, die gemäß den Gesetzen der Physik auf der Grundlage verschiedener Szenarien ablaufen würden. Beispielsweise verwendete Cukier das Grundmodell, um alle vom Asteroiden freigesetzten Materialbrocken mit einer relativen Geschwindigkeit von Null – oder ohne Geschwindigkeit oder Richtung relativ zu 3200 Phaethon – zu simulieren, um zu sehen, wie die resultierende Umlaufbahn aussehen würde, und um sie mit der zu vergleichen Umlaufbahn, wie aus den Daten der Parker Solar Probe-Sonde hervorgeht.

Anschließend simulierte er mithilfe des Gewalterzeugungsmodells, wie sich das Material mit einer relativen Geschwindigkeit von bis zu einem Kilometer pro Stunde aus dem Asteroiden löst, als ob die Teile durch ein plötzliches, gewalttätiges Ereignis losgeschleudert würden.

Er simulierte auch das Kometenmodell – den Mechanismus hinter der Entstehung der meisten Meteoritenströme. Die resultierende simulierte Umlaufbahn stimmte zumindest mit der Art und Weise überein, wie die Umlaufbahn der Geminiden gemäß den Daten der Parker Solar Probe tatsächlich aussieht, sodass sie dieses Szenario ausschlossen.

Beim Vergleich der simulierten Umlaufbahnen der einzelnen Modelle stellte das Team fest, dass die gewalttätigen Modelle am besten mit den Daten der Parker Solar Probe übereinstimmten, was bedeutet, dass es wahrscheinlich ist, dass ein plötzliches, gewalttätiges Ereignis – wie eine Hochgeschwindigkeitskollision mit einem anderen Körper oder einem anderen Körper – vorliegt Unter anderem durch eine Gasexplosion entstand der Geminidenstrom.

Die Forschung baut auf der Arbeit von Szalay und mehreren Kollegen der Parker Solar Probe-Mission auf, die im Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) in Laurel, Maryland, gebaut und montiert wurde, um ein Bild der Struktur und des Verhaltens der großen Wolke zu erstellen Staub, der durch das innerste Sonnensystem wirbelt.

Künstlerisches Konzept der Raumsonde Parker Solar Probe, die sich der Sonne nähert. Princeton-Forscher, die den einzigartigen Geminiden-Meteoritenschauer untersuchten, haben Daten der Parker Solar Probe der NASA genutzt, um zu schließen, dass ein katastrophales Ereignis – wie eine Hochgeschwindigkeitskollision oder eine Gasexplosion – den Geminiden-Meteoritenstrom erzeugt hat. Bildnachweis: NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben

Sie nutzten Parkers Flugbahn – eine Umlaufbahn, die ihn nur Millionen von Kilometern von der Sonne entfernt, näher als jedes andere Raumschiff in der Geschichte –, um den besten direkten Blick auf die staubige Wolke aus Körnern zu werfen, die von vorbeiziehenden Kometen und Asteroiden abgeworfen werden.

Obwohl die Sonde Staubpartikel nicht direkt misst, kann sie Staubkörner auf clevere Weise verfolgen: Wenn Staubkörner das Raumschiff entlang seiner Flugbahn schleudern, entstehen Hochgeschwindigkeitseinschläge[{” attribute=””>plasma clouds. These impact clouds produce unique signals in electric potential that are picked up by several sensors on the probe’s FIELDS instrument, which is designed to measure the electric and magnetic fields near the Sun.

“The first-of-its-kind data our spacecraft is gathering now will be analyzed for decades to come,” said Nour Raouafi, Parker Solar Probe project scientist at APL. “And it’s exciting to see scientists of all levels and skills digging into it to shed light on the Sun, the solar system, and the universe beyond.”

Reaching for the stars

Cukier said his passion for learning about outer space combined with departmental support are what motivated him to pursue this project.

After taking a hands-on lab class offered by the Princeton space physics laboratory — where he gained practical experience building space instruments, like those currently sampling the Sun’s environment aboard Parker Solar Probe — and serving as treasurer for the undergraduate astronomy club, he decided he wanted to pursue extracurricular research.

He was met with enthusiasm when he reached out to scientists in the Princeton Space Physics group. “Everyone is very supportive of undergraduate research, especially in astrophysics, because it’s really part of the departmental culture,” he said.

“It’s always wonderful when our students like Wolf can contribute so strongly to this sort of space research,” said David McComas, head of the Space Physics group and vice president for the Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL). “Many of us have been in awe of the Geminids meteor displays for years and it is awesome to finally have the data and research to show how they likely formed.”

Cukier said that he’s been drawn to watching the sky since he was a kid. “Planetary science is surprisingly accessible,” he said. “For the Geminids, for instance, anyone can go outside on December 14 this year at night and look up. It’s visible from Princeton, and some of the meteors are really bright. I’d highly recommend seeing it.”

For more on this discovery, see Parker Solar Probe Sheds Light on Unusual, Violent Origin of Geminid Meteor Shower.

Reference: “Formation, Structure, and Detectability of the Geminids Meteoroid Stream” by W. Z. Cukier and J. R. Szalay, 15 June 2023, The Planetary Science Journal.
DOI: 10.3847/PSJ/acd538

“Formation, Structure, and Detectability of the Geminids Meteoroid Stream” by W.Z. Cukier and J.R. Szalay was published June 15, 2023 by Planetary Science Journal (DOI 10.3847/PSJ/acd538). The research was supported by the Parker Solar Probe Guest Investigator Program (80NSSC21K1764). Parker Solar Probe is part of NASA’s Living with a Star program to explore aspects of the Sun-Earth system that directly affect life and society. The program is managed by NASA’s Goddard Space Flight Center for the Heliophysics Division of NASA’s Science Mission Directorate. APL manages the Parker Solar Probe mission for NASA.