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Sonnensystem: Ceres' verborgener Ozean

Der Zwergplanet im Asteroidengürtel wirkt auf den ersten Blick wie der Inbegriff einer toten Welt. Doch womöglich tut sich unter ihrer Oberfläche mehr als gedacht.
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Auf den ersten Blick kann man sie für einen Zwilling unseres Mondes halten: eine durch und durch graue Kugel, übersät von unzähligen Einschlagskratern. Doch damit würde man Ceres enormes Unrecht tun. Denn der 940 Kilometer große Zwergplanet zieht nicht nur weit abseits unserer Heimat seine Bahnen, im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter. Planetenforscher sehen in Ceres auch eine aktive, dynamische Welt, auf der bis heute Wasser fließen könnte.

Die bislang überzeugendsten Hinweise dafür haben Wissenschaftler nun in den Fachzeitschriften »Nature Astronomy«, »Nature Geoscience« und »Nature Communications« veröffentlicht: In gleich sieben Aufsätzen stellen die Forscher neue Daten der Raumsonde Dawn vor, die Ceres von 2015 bis 2018 umrundet hat. Planetologen haben diese Messungen auch deshalb mit Spannung erwartet, da Dawn für sie in einer Höhe von nur 35 Kilometern über die Oberfläche der fremden Welt hinweggeflogen ist, in einer Art letztem Manöver, bevor der Treibstoff der Sonde aufgebraucht war.

Eine Welt mit verborgenem Ozean?

Das Ergebnis kann sich sehen lassen. Denn die neuen Daten könnten den grauen Zwergplaneten in eine Kategorie von Himmelskörpern heben, die lange in erster Linie den exotischen Eismonden der Gasriesen Jupiter und Saturn vorbehalten war: die der Ozeanwelten. Deren Oberfläche ist von einem kilometerdicken Panzer bedeckt, unter dem sich eine ausgedehnte Schicht flüssigen Wassers verbirgt.

Bisher galt es als fraglich, ob auch Ceres solch ein verborgenes Meer versteckt hält. Denn lange fehlte schlicht eine schlüssige Erklärung dafür, was das Wasser vorm Gefrieren bewahrt. »Je kleiner ein Himmelskörper ist, desto schlechter kann er Wärme in seinem Inneren halten«, sagt Ernst Hauber vom Institut für Planetenforschung des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt (DLR) in Berlin.

Europa, Enceladus und andere Monde von Jupiter beziehungsweise Saturn wirken dem Auskühlen über eine Art eingebaute Heizung entgegen: Da die Trabanten sich auf einer elliptischen Bahn bewegen, zerrt die Schwerkraft ihrer Mutterplaneten während eines Umlaufs unterschiedlich stark an ihnen. Entsprechend wird das Mondinnere kontinuierlich durchgeknetet. Das erzeugt Reibungswärme und sorgt für geologische Aktivität, die Wasserreservoirs auch weitab von der Sonne flüssig halten kann.

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Occator-Krater | Im 92 Kilometer großen Occator-Krater (A) gibt es zwei Bereiche mit hellen Salzablagerungen: Cerealia Facula (B) und Vinalia Faculae (C). Erstere ist eine Erhebung, die vermutlich direkt nach der Entstehung des Kraters vor 22 Millionen Jahren entstanden ist. Bis vor sieben Millionen Jahren stieg hier vermutlich salzhaltiges Wasser an die Oberfläche. Auch in Vinalia Faculae im östlichen Teil drang Sole durch Risse im Untergrund nach oben.

Ceres aber hat keine solche Gezeitenheizung. Der Zwergplanet ist ein einsamer, starrer Felsbrocken im ziemlich kalten Weltall. Schon ein Blick auf die unzähligen Krater verrät, dass die Welt nicht mehr allzu aktiv sein kann: Gäbe es hier noch große geologische Umwälzungen im Untergrund, würden diese die Oberfläche im Lauf der Äonen erneuern, so wie es bei den Eiskrusten von Enceladus und Europa der Fall ist.

Doch vollständig erkaltet scheint das Innere von Ceres noch nicht zu sein. Darauf deuten unter anderem die hellen Flecken auf der Oberfläche hin, die die Dawn-Sonde an vielen Stellen aus dem Weltall fotografiert hat. Am auffälligsten treten sie im 92 Kilometer breiten und vier Kilometer tiefen Occatorkrater zu Tage. Laut spektroskopischen Analysen handelt es sich um Salzablagerungen – die vermutlich ins Weltall verdampfendes Wasser zurückgelassen hat.

Damit steht jedoch die Frage im Raum, woher das Wasser kam und wie es sich verflüssigen konnte. Zunächst gingen Forscher davon aus, dass es sich um Grundeis handelte, das sich wenige Dutzend Meter unter der felsigen Oberfläche verbirgt. Beim Einschlag des Occator-Asteroiden vor etwa 20 Millionen Jahren könnte es geschmolzen, an die Oberfläche getreten und dort sofort verdampft sein, besagt die Theorie.

Radioaktivität als Wärmequelle

Aber auch ein anderes Szenario ist denkbar: Möglicherweise stammen die Salze aus einem viele Kilometer tiefen Reservoir flüssigen Wassers, das sich bis heute unter der Kruste des Zwergplaneten gehalten hat. Die Wärmequelle wäre dann vermutlich der Zerfall von Elementen in Ceres' Inneren, etwa Uran und Thorium. Diese radioaktive Heizung liefert zu wenig Energie für große geologische Aktivität. Aber für einen dünnen unterirdischen Ozean könnte es reichen.

Das Wasser auf Ceres müsste jedoch nicht nur extrem salzhaltig sein, sondern noch andere Frostschutzmittel wie Ammoniak enthalten, um den Schmelzpunkt ausreichend stark zu senken. Daneben müssten die einzelnen Wassermoleküle wohl auf spezielle Weise von Gas umgeben sein. Solche »Gashydrate« leiten enorm schlecht Wärme – und könnten Eismonde und Zwergplaneten vorm Auskühlen bewahren, wie Planetologen seit einigen Jahren verstärkt diskutieren. Sie halten es sogar für denkbar, dass sich selbst der minus 240 Grad kalte Pluto dank einer Gashydrat-Isolation den ein oder anderen flüssigen Speicher erhalten hat.

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Salz im Occator-Krater | Aus 35 Kilometern Höhe hat die Dawn-Sonde detaillierte Aufnahmen des Occator-Kraters gemacht. Hier ist ein Mosaik der Bilder zu sehen. Salzablagerungen sind zur besseren Sichtbarkeit rot eingefärbt.

Auf Ceres war lange unklar, wie die zähe Salzbrühe aus ihrem dutzende Kilometer tiefen Reservoir an die Oberfläche gelangen könnte. Ein Team um Carol Raymond vom Jet Propulsion Laboratory der NASA hat nun auf Basis der neuesten Dawn-Daten eine schlüssige Theorie dazu ausgearbeitet: Der Occator-Einschlag habe eine große Schmelzkammer in der Kruste entstehen lassen, die letztlich eine Verbindung zum Soleozean weiter unten herstellte, schreiben die Forscher in »Nature Geoscience«.

Demnach könnten die geschichteten Salzablagerungen im Occator-Krater aus verschiedenen Quellen stammen: einerseits vom Grundeis, das während des Einschlags geschmolzen ist. Andererseits aus dem tiefen Solereservoir, das sich durch neue Spalten seinen Weg nach oben gebahnt hat und das sich Schätzungen zufolge in 40 Kilometern Tiefe befinden müsste. Ernst Hauber hält diesen Mechanismus für plausibel: »Wenn es die Sole tatsächlich gibt, dann würde sie durch einen Einschlag wie in Occator wohl an die Oberfläche gelangen«, sagt der DLR-Planetenforscher, der nicht an den nun publizierten Studien beteiligt war.

Tatsächlich könnte Dawn noch weitere Indizien für dieses Szenario entdeckt haben: So scheinen manche Ablagerungen im Occator-Krater erst vor wenigen Millionen Jahren entstanden zu sein, also deutlich nach der Entstehung des Kraters vor rund 20 Millionen Jahren, wie eine Gruppe um Andreas Nathues vom Göttinger Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in »Nature Astronomy« berichtet.

Noch eine weitere Messung liefert Hinweise auf das feuchte Nass weit unter der Oberfläche: Präzise Daten des Schwerefeldes sprächen für eine eher poröse untere Kruste mit vielen Rissen, durch die die Sole an die Oberfläche gelangen könnte, berichten Ryan Park und Kollegen vom Jet Propulsion Laboratory in »Nature Astronomy«.

Zähflüssige Sole, durchsetzt mit Steinchen

Die Schwerefeldmessungen legen jedoch auch nahe, dass sich Ceres' Wasserreservoir deutlich von den mutmaßlichen Ozeanen auf Europa oder Enceladus unterscheiden müsste: So scheint die Brühe auf dem Zwergplaneten erheblich dichter zu sein als gewöhnliches Wasser. Das liegt zum einen am hohen Salzgehalt, aber eventuell auch an Steinchen, die sich im Lauf der Zeit in die Brühe gemischt haben könnten. Wenn überhaupt handele es sich also nur um die Überreste eines planetenumspannenden Meeres, das mittlerweile fast vollständig erstarrt ist, schreiben die Forscher.

Was jedoch nicht heißt, dass sich gar nichts mehr regt: Womöglich gelangt im Occator-Krater noch heute hin und wieder salzhaltiges Wasser an die Oberfläche und verdampft dort. Darauf deutet unter anderem ein dünner Dunst hin, den die Dawn-Sonde bereits zu Beginn der Mission in der Nähe der hellen Flecken aufgespürt hat. Und nun hat eines ihrer Instrumente auch noch hydratisiertes Natriumchlorid auf der Oberfläche beobachtet, das noch vor Wochen in Kontakt mit Wasser gestanden haben muss, wie ein Team um Maria Cristina de Sanctis vom italienischen Istituto Nazionale di Astrofisica in »Nature Astronomy« berichtet.

»Wir gehen davon aus, dass Ceres noch immer gelegentlich kryovulkanisch aktiv ist«, sagt Andreas Nathues laut einer Pressemitteilung des MPI für Sonnensystemforschung. Unklar ist derweil, ob Ceres' mutmaßlicher Ozean ein Lebensraum für einfache Lebewesen sein könnte. Dazu bräuchte es unter anderem stetigen Input von außen, etwa durch regelmäßige Asteroideneinschläge, die dem verschlossenen Meer Bewegung und chemischen Austausch bringen, schreibt Julie Castillo-Rogez in einem Kommentar in der Zeitschrift »Nature«.

Ernst Hauber sieht hier eine Chance, wie Ceres bei der Erforschung von Eismonden wie Enceladus helfen könnte: Langfristig wollen Wissenschaftler durch eine der Wasserdampffontänen fliegen, die der Saturnmond regelmäßig ins All pustet. Dabei sei es hilfreich, die Spuren zu kennen, die Asteroideneinschläge beim Kontakt mit einem abgeschlossenen Wasserreservoir hinterlassen. Und da just das auf Ceres passiert sein könnte, seien die dort gewonnenen Erkenntnisse womöglich auch für andere Orte im Sonnensystem relevant.

33/2020

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 33/2020

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