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Sonnensystem: Plutos dunkle Seite

Lang ersehnte Bilder von der Rückseite des Zwergplaneten zeigen Pluto in neuem Licht. Unter anderem verdichten sich die Hinweise auf flüssiges Wasser auf der eiskalten Welt.
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Als die NASA-Raumsonde New Horizons 2015 an Pluto vorbeiflog, waren ihre Bilder eine große Überraschung. Zu sehen war eine wesentlich dynamischere und vielseitigere Umgebung, als Wissenschaftler sich im Vorfeld erträumt hatten. Auf Pluto ragen nicht nur Klippen aus gefrorenem Stickstoff in die Höhe, die der zerklüfteten Küste Norwegens ähneln, sondern auch riesige Blöcke aus Methaneis, teils so hoch wie Wolkenkratzer. Die Oberfläche des Zwergplaneten durchziehen außerdem Risse, die tiefer sind als der Grand Canyon, während Eisvulkane höher aufragen als der Mount Everest.

Und dann ist da natürlich noch das riesige herzförmige Gebiet auf der einen Seite des Zwergplaneten, das Raumfahrtenthusiasten in den Tagen nach New Horizons' Vorbeiflug in Entzücken versetzte. »Ich hatte zwar erwartet, dass Pluto ein Paradies für Wissenschaftler ist, aber wer hätte gedacht, dass er so schön ist?«, sagt New-Horizons-Teammitglied Leslie Young vom Southwest Research Institute in Boulder, Colorado.

Zwar liegt der erste Blick auf Pluto mittlerweile fast fünf Jahre zurück, doch Forscher wie Young bekommen noch immer regelmäßig neue Aufnahmen der fernen Welt zu sehen. Als die NASA-Sonde den Zwergplaneten erreichte, bewegte sie sich mit 52 000 Stundenkilometern – so schnell, dass sie nur eine Seite von Pluto aus der Nähe zu sehen bekam. Es war die Hemisphäre, die zu dieser Zeit von der Sonne beschienen wurde. Die andere lag dagegen im Schatten und war für New Horizons nur Tage vor der größten Annäherung sichtbar.

Neuer Blick auf Pluto

Nachdem Wissenschaftler in den ersten Jahren vor allem die Nahaufnahmen ausgewertet haben, steht mittlerweile die »ferne«, »dunkle« Seite im Fokus. Die Bilder dieser Hälfte sind nicht so scharf wie die später aufgenommenen, auf denen man Strukturen mit einer Größe von etwa 75 Metern sehen kann. Die Aufnahmen der dunklen Seite lassen dagegen Gelände mit einer Auflösung von 2 bis 30 Kilometern erkennen.

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Plutos Rückseite | Während des Vorbeiflugs im Jahr 2015 konnte New Horizons' Kamera eine ganze Drehung des Zwergplaneten beobachten. Die »nahe« Seite ist unten im Bild in hoher Auflösung zu sehen, die »ferne« Seite in geringer Auflösung oben im Bild.

Das klingt grob, ist aber bis zu 250-mal besser als die Bilder, die mit dem Hubble-Weltraumteleskop aufgenommen wurden. »Es sind immer noch wirklich gute Daten«, sagt New-Horizons-Forscher Harold Weaver von der Johns Hopkins University in Baltimore. »Und es ist das Beste, was wir für die nächsten 30 bis 40 Jahre haben werden.«

Die Bilder der fernen Seiten – es sind hunderte – erlauben einen neuen Blick auf Pluto. Sie helfen zum Beispiel dabei, die Entstehung des Zwergplaneten besser zu verstehen und die Frage zu beantworten, ob sich unter Plutos eisiger Kruste ein Ozean verbirgt. Je nach Auslegung stützen die Daten sogar die Annahme, dass die extrem kalte Welt lebensfreundlich sein könnte.

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Bergkämme aus Methaneis | Methaneis bildet in manchen Regionen auf Pluto klingenartige Hügelketten. Man kann sie beispielsweise in der Mitte dieses Bildes erahnen, bei dem es sich um einen Ausschnitt von Plutos »naher« Seite handelt.

Gleichzeitig geben die Bilder eine Reihe von Rätseln auf. So gingen Forscher lange davon aus, dass es die wolkenkratzerähnlichen Eistürme nur auf der nahen Seite gibt. Doch ganz offensichtlich haben sie sich auch auf der fernen Hemisphäre gebildet und scheinen Pluto in einer Art Band zu umgeben. Das macht ihre Herkunft zu einem der größten Mysterien des Zwergplaneten.

Von all dem konnte der junge US-Astronom Clyde Tombaugh noch nichts ahnen, als er Pluto vor 90 Jahren am Lowell-Observatorium in Flagstaff, Arizona, entdeckte. Die ferne Welt zeigte sich Tombaugh als Lichtfleck, der selbst für die damals größten bodengebundenen Teleskope kaum sichtbar war. Erst 1988 erfuhren Wissenschaftler mehr über ihn, als Pluto zufällig vor einem fernen Stern vorüberzog.

Da das Sternlicht dabei von Plutos Atmosphäre gefiltert wurde, konnten Astronomen Moleküle wie Stickstoff, Kohlenmonoxid und Methan darin identifizieren. 1996 lieferte dann das Hubble-Weltraumteleskop erste Details der Oberfläche, allerdings nur mit einer Auflösung von 500 Kilometern. Auf den unscharfen Bildern konnte man jedoch bereits erahnen, dass es sich um eine überraschend kontrastreiche Welt handelt.

Seltsame Lage eines eisigen Sees

Der Vorbeiflug von New Horizons im Juli 2015 bestätigte diesen Eindruck dann deutlich. Zunächst sprang den Forschern dabei das herzförmige Merkmal nördlich des Äquators der nahen Seite ins Auge. In der linken Ausstülpung des Herzens erstreckt sich ein Becken, durch das gewaltige Gletscher fließen. Heute wissen Wissenschaftler, dass diese als Sputnik Planitia bekannte Region einen großen Einfluss auf das Klima des Zwergplaneten ausübt: Wenn das Licht der fernen Sonne die gefrorene Ebene erwärmt, sublimiert ein Teil des Eises zu Dampf, der nach oben schwebt und sich am Ende des Pluto-Tages erneut niederlässt.

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Plutos nahe und ferne Seite | Diese Bildkomposition zeigt sowohl die Seite, die New Horizons aus der Nähe fotografieren konnte, als auch die schlechter aufgelöste Rückseite, die die Bordkamera nur aus der Ferne aufnehmen konnte.

Womöglich hat die herzförmige Region sogar die Orientierung des Zwergplaneten verändert. Dafür spricht jedenfalls die besondere Lage von Sputnik Planitia: Die markante Ebene liegt fast genau gegenüber von Plutos größtem Mond Charon, der in starrer Rotation um den Zwergplaneten kreist. Die Wahrscheinlichkeit, dass es zufällig zu dieser Orientierung kommt, liegt Modellen zufolge bei nur fünf Prozent.

Demzufolge könnte das Becken Pluto gewissermaßen in seine heutige Orientierung gezwungen haben: Als sich die Senke von Sputnik Planitia bildete – möglicherweise durch den Einschlag eines großen Himmelskörpers –, hätte der unterirdische Ozean, den Forscher auf Pluto vermuten, die Senke rasch gefüllt. Anschließend wäre auch Stickstoffgas aus der Atmosphäre in dem Tiefland kondensiert und wäre dort nach kurzer Zeit gefroren. Das Gewicht von Wasser und Eis hätte Pluto an dieser Stelle eine Art Unwucht verliehen und den Himmelskörper bei seiner Rotation in diese Richtung kippen lassen.

Forscher vermuten schon seit Jahren, dass es auf Pluto ein gigantisches unterirdisches Reservoir flüssigen Wassers geben könnte. Die Bilder von der dunklen Seite liefern nun neue Indizien für diesen mutmaßlichen Ozean. Zentral für die Theorie ist ein Teil Plutos, den Forscher in Ermangelung eines besseren Namens »chaotisches Terrain« nennen. Gemeint ist ein verworrenes Durcheinander von Bergrücken, Gräben und Ebenen auf der Seite, die Sputnik Planitia genau gegenüberliegt.

Wissenschaftler haben solche Anordnungen schon früher gesehen, etwa auf dem Mars, Merkur und dem Jupitermond Europa. Dort ist die Vermutung, dass eine Kollision mit einem Asteroiden oder Kometen seismische Wellen um den jeweiligen Himmelskörper gejagt hat. Wenn diese Beben dann am gegenüberliegenden Horizont aufeinandertreffen, reißt die Oberfläche dabei auf – und hinterlässt womöglich eine wild zerklüftete Landschaft wie die auf der dunklen Seite von Pluto.

Simulation zeigt Entstehung des chaotischen Terrains

Um den Ursprung des chaotischen Terrains zu untersuchen, hat Adeene Denton von der Purdue University simuliert, wie ein Asteroideneinschlag Schockwellen über den Zwergplaneten senden würde. Demnach könnte die Landschaftsform tatsächlich auf solch ein gewaltiges Ereignis zurückgehen. Aber auch hier benötigt Pluto einen unterirdischen – in diesem Fall 150 Kilometer dicken – Ozean, damit die Sache aufgeht.

Ob das chaotische Terrain wirklich auf einen großen Einschlag auf der gegenüberliegenden Seite zurückzuführen ist, ist allerdings noch unsicher. Oliver White vom SETI-Institut in Mountain View findet, dass die Auflösung der Bilder zu gering ist, um die Region abschließend zu beurteilen und mit anderen Formationen im Sonnensystem zu vergleichen. »Wir werden hier nichts abschließend sagen können, bis wir eines Tages zu Pluto zurückgehen«, findet auch William McKinnon von der Washington University, der stellvertretende Leiter des Geologenteams von New Horizons.

Ein Riss verweist auf Plutos Geschichte

Fest steht, dass Pluto mehrere geologische Merkwürdigkeiten aufweist, die man im Sinne des verborgenen Ozeans interpretieren kann. Lange gingen Forscher davon, dass dieser nach Plutos Entstehung zunächst gefroren gewesen sein müsste. Erst später wäre die Eismasse geschmolzen, da sich der felsige Kern des Zwergplaneten durch den Zerfall radioaktiver Elemente erwärmte.

Dabei wäre das Eis zusammengezogen worden, was zu Wellen auf der Oberfläche geführt hätte – ähnlich wie die Falten, die auf einem Apfel nach längerer Zeit im Kühlschrank entstehen. Beim erneuten Gefrieren hätte sich das Wasser dann wieder ausgedehnt und so die Oberfläche hier und da aufreißen lassen. Bilder der Pluto-Oberfläche sollten also alte Falten und vergleichsweise junge Risse zeigen. New Horizons hat jedoch nur Risse fotografiert, was eher darauf hindeutet, dass der Ozean des Zwergplaneten als Flüssigkeit begann und erst im Lauf der Zeit in Teilen gefroren ist.

Insbesondere Bilder der fernen Seite zeigen einen riesigen Riss, der sich bis auf die nahe Seite von Pluto erstreckt. Er scheint über den Nordpol zu verlaufen und auf der fernen Seite zurück zum Südpol und so den gesamten Zwergplaneten zu umschließen. Die Fraktur ähnelt damit dem ostafrikanischen Grabensystem, das den Subkontinent in zwei Teile spaltet. Auf Pluto ist jedoch nicht etwa Plattentektonik die Ursache. Stattdessen könnte die Narbe auf den zufrierenden Ozean zurückgehen, der sich dabei immer weiter ausgedehnt und so die Kruste des Zwergplaneten unter Spannung gesetzt hat. Da der lange Spalt extrem alt ist, wäre Plutos Meer in diesem Fall vermutlich gleich nach seiner Entstehung erkaltet.

chaotisches TerrainLaden...
Verschwommene dunkle Seite | Von Plutos »chaotischem Terrain« gibt es nur verschwommene Bilder. Es handelt sich um ein verworrenes Durcheinander von Bergrücken, Gräben und Ebenen auf der Seite, die der »Herzregion« Sputnik Planitia genau gegenüberliegt.

Sollte es ihn geben, könnte der Ozean vielleicht sogar ein Lebensraum für einfache Organismen sein. Dafür sprechen Wasserspuren auf der nahen Hemisphäre, die eine rote Verfärbung hinterlassen haben. Aus Sicht von Planetenforschern ist das ein Indiz für eine hohe Konzentration an organischen Molekülen, die als Vorbedingung für Leben gelten. Sie könnten zum Beispiel auf den Sonnenwind oder kosmische Strahlung zurückgehen. Jedenfalls haben Laborexperimente gezeigt, dass komplexe, rötlich braune organische Verbindungen entstehen können, wenn man Moleküle wie Stickstoff, Methan oder Wasser mit Strahlung bombardiert. Wenn Ammoniak vorhanden ist, können sogar jene Basen entstehen, die in RNA und DNA vorkommen.

Ein Team um New-Horizons-Wissenschaftler Dale Cruikshank hat einen Fachaufsatz zu Leben auf Pluto sogar in der Zeitschrift »Astrobiology« veröffentlicht. Die Gruppe präsentiert darin Indizien, dass das Nahseiten-Eis sowohl rot ist als auch Ammoniak enthält. Das bedeute aber noch lange nicht, dass auf Pluto auch wirklich Leben entstanden ist, betont Cruikshank. Vielmehr sprächen die Ergebnisse dafür, dass einfache Organismen dort überleben könnten. Dennoch findet die Theorie unter Planetenwissenschaftlern großen Anklang. »Ich hätte vor dem Vorbeiflug niemals erwartet, dass es ein Artikel über Pluto in ›Astrobiology‹ schafft«, sagt etwa Cathy Olkin aus dem New-Horizons-Team.

Bilder von Plutos dunkler Seite stützen aus Sicht der Forscher die Theorie von organischem Material. Sie zeigen ein rotes Band, das sich über den Äquator erstreckt. Es verläuft dort, wo das meiste Sonnenlicht hinfallen und das Klima am wärmsten sein dürfte. Für New-Horizons-Chef Alan Stern vom Southwest Research Institute sind damit bereits zwei von drei Kriterien für Leben erfüllt: »Es gibt ziemlich deutliche Hinweise auf flüssiges Wasser. Und nun auch noch Daten, die für organische Stoffe sprechen«, sagt er. Damit fehle bloß noch eine geeignete Energiequelle, um lebenskompatible Bedingungen zu erhalten.

Ein Gürtel aus gigantischen Eisklingen

Die Messungen auf der anderen Seite haben nicht nur dazu beigetragen, Plutos Potenzial für Leben zu erforschen, sondern auch eine Reihe von Fragen aufgeworfen. Als die ersten Bilder von New Horizons die Erde erreichten, fiel den Wissenschaftlern ein bizarres Gelände aus Eisklingen entlang der östlichsten Region der nahen Seite auf. Diese gleichmäßig verteilten Bergrücken sind nur wenige Kilometer voneinander entfernt, ragen jedoch scharf und messerartig in den Himmel und erreichen gelegentlich eine Höhe von bis zu einem Kilometer – etwa dreimal so hoch wie das Empire State Building in New York City. Sie können bis zu 30 Kilometer lang sein. »Es wäre eine albtraumhafte Landschaft, wenn man versuchen würde, sich hier zurechtzufinden«, sagt White.

Aber die besondere Region war nicht mehr als ein Fleck auf der Landkarte, bis die Wissenschaftler einen Blick auf die andere Seite warfen. Die Aufnahmen von dort sind zwar zu ungenau, um einzelne Grate zu erkennen. Dennoch kann man auf ihnen sehen, dass das Terrain aus Eisklingen die gesamte ferne Seite umspannt und am westlichen Rand der nahen Seite wieder auftaucht – in einer Region, die Forscher zuvor übersehen haben. Auf der fernen Seite bedeckt das Gebiet eine 3,5-mal so große Fläche wie auf der nahen Seite.

»Da es sich um einen so weit verbreiteten Geländetyp handelt, ist es sehr wichtig, ihn zu verstehen«, sagt Stern. Spektrale Analysen der Bilder zeigen, dass die Klingen aus Methaneis bestehen und einen Gürtel um den Äquator bilden – zumindest auf Hochebenen und Bergen. Doch wie sie sich bilden konnten, bleibt ein Rätsel. Eine Möglichkeit wäre, dass Methan aus der Atmosphäre festgefroren und sich in dieser Form angehäuft hat, ähnlich wie Frost auf der Erde. Oder aber die Klingen sind Überreste einer alten Methaneisschicht, deren Zwischenräume durch das gleißende Sonnenlicht abgetragen wurden.

Sonnenaufgang über PlutoLaden...
Sonnenaufgang über Pluto | Nachdem sie Pluto passiert hatte, drehte sich die Sonde New Horizons noch einmal um und machte diese Aufnahme, 200 000 Kilometer von dem fernen Zwergplaneten entfernt.

Einige Forscher haben sich auf letztere Erklärung konzentriert, weil die scharfen Grate Strukturen ähneln, die sich in den Anden bilden, wenn auch in einem radikal kleineren Maßstab. Die südamerikanische Version der Klingen, die so genannten Penitentes (Büßereis), sind nur wenige Meter hoch und bilden sich im südamerikanischen Hochgebirge. Da diese zur Sonne hingeneigt sind und entlang des Äquators vorkommen, wo die Sonneneinstrahlung am stärksten ist, scheint Licht eine wichtige Rolle zu spielen.

Eine ähnliche Theorie für die Strukturen auf Pluto haben 2017 Jeffrey Moore vom NASA-Forschungszentrum Ames und Kollegen ausgearbeitet. Allerdings sind damit wohl nicht alle Eigenschaften der Eisklingen auf Pluto erklärbar. Obwohl einige von ihnen der Bahn der Sonne über dem Pluto-Himmel folgen, sind andere senkrecht dazu ausgerichtet, was gegen die Erosion durch Sonnenstrahlen spricht. Andererseits hat auch der Methanfrost als Erklärung Probleme, da er nicht solch helles Material hinterlässt.

Klar ist, dass man die eisigen Klingen (und die Landschaft von Pluto im Allgemeinen) nicht verstehen kann, ohne das Wetter des Zwergplaneten genau zu studieren. Erst im Jahr 2019 haben Forscher ein Klimamodell veröffentlicht, wonach sich Methan in höheren Lagen anreichert, während sich Stickstoff eher in der niedrigen Atmosphäre konzentriert. Das würde erklären, warum das Becken von Sputnik Planitia reich an Stickstoffeis ist, die höher gelegenen Klingenregionen dagegen von Methaneis dominiert werden.

Verrückte Jahreszeiten

Auf der Erde ist das anders: Dort füllt flüssiges Wasser die tief liegenden Ozeane, und Wassereis bedeckt die höchsten Berggipfel. Das liegt auch daran, dass sich Wind auf unserem Planeten hangaufwärts bewegen kann – und so Wasser von Meereshöhe in die Berge transportieren kann. Auf Pluto dagegen ist das nicht möglich. Da seine Atmosphäre wärmer als die Oberfläche ist, dominieren Abwärtswinde. Der Stickstoff in den Niederungen kann dadurch niemals die höchsten Gipfel erreichen. Und Methan aus höheren Schichten kondensiert zunächst auf den höchsten Bergen und schafft es somit seltener in Senken und Täler.

Was die Klingenformationen angeht, so scheinen sie über einen langen Zeitraum gewachsen zu sein. Eis sollte sich erst nach vielen Dutzend Millionen Jahren zu derart hohen Gebilden aufgehäuft haben. Auch erstrecken sie sich über eine Vielzahl von Breitengraden. Das spricht dafür, dass sich die Klimazonen im Lauf der Zeit verschoben haben, was möglicherweise sogar einen Beitrag zur Entstehung der Formationen geleistet hat.

Pluto hat geradezu exzentrische Jahreszeiten. Auf der Erde wird der Jahreszeitenzyklus bekanntlich durch die Neigung der Hemisphären zur Sonne bestimmt und nicht, wie oft angenommen, durch die Umlaufbahn des Planeten. Auf Pluto dagegen hat auch der Abstand zur Sonne einen großen Einfluss: Der Zwergplanet bewegt sich auf einer elliptischen Bahn und umrundet die Sonne alle 248 Jahre einmal. Dabei gelangt er zeitweise an den eisigen Rand des Sonnensystems. Anschließend driftet er wieder zurück in Richtung Sonne, wobei sich der Abstand zu ihr fast halbiert.

Da sich Neigung und Distanz zur Sonne ständig ändern, erreicht jede Region auf Plutos Oberfläche nur alle 900 000 Jahre das Maximum der möglichen Sonneneinstrahlung. Solch ein »Supersommer« könnte auch eine Rolle bei der Bildung der Eistürme gespielt haben. Noch lässt sich dies aber nicht sicher nachweisen, da die Berechnung der Bahnparameter über die letzten zehn Millionen Jahre sehr anspruchsvoll ist.

Traum von einer Rückkehr

Es ist eine der offenen Fragen, die künftige Studien angehen müssen. Derzeit versuchen Wissenschaftler, Plutos Vergangenheit und so seine Jahreszeiten besser zu verstehen. Durch den Vergleich seiner verschiedenen Regionen könnten sich Veränderungen vorhersagen lassen. Damit ließe sich vielleicht eine Prognose erstellen, was man in 50 Jahren erwarten sollte, wenn die nächste Forschungssonde Pluto erreicht und in einen Orbit um den Zwerg einschwenkt.

In der Tat argumentieren viele Planetenforscher, dass ein erneuter Besuch fast unvermeidlich ist, angesichts der vielen offenen Fragen, die New Horizons aufgeworfen hat. Einige Experten ergründen daher gerade die Machbarkeit eines Orbiters, der den gesamten Pluto detailliert kartografieren und für längere Zeit begleiten könnte. Eine Mission nach diesem Schema würde jedoch wahrscheinlich erst in den 2030er oder sogar 2040er Jahren starten. Und das auch nur, wenn sich die NASA entscheidet, die Mission fortzusetzen. Anschließend müsste die Sonde noch eine Reise an den Rand des Sonnensystems bestreiten.

In der Zwischenzeit werden die Wissenschaftler weiter daran arbeiten, bessere Klimamodelle zu erstellen, und im Labor versuchen, die Chemie der Atmosphäre und des potenziellen Ozeans zu simulieren. Daneben werden Astronomen sicherlich das James-Webb-Weltraumteleskop nutzen, um einen erneuten Blick auf den Zwergplaneten zu werfen. Der Hubble-Nachfolger wird Pluto zwar nicht mit einer sehr hohen Auflösung abbilden können. Aber er wird in der Lage sein, längere Wellenlängen zu nutzen – und damit wahrscheinlich etwas Neues enthüllen.

34/2020

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 34/2020

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