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Himmelskörper: In flagranti im Sonnensystem

Saturnringe, Titan, Enceladus und Co - vielleicht sehen wir einige der bemerkenswertesten Himmelskörper im Sonnensystem gerade in ihren seltenen Sternstunden.
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Weder unsere Zeit noch unser Platz im Universum gelten unter Astronomen als etwas Besonderes. Was sich Himmelsbeobachtern heute zeigt, so nehmen sie an, geschieht schon seit Milliarden von Jahren – und wird sich so auch in der Zukunft fortsetzen, wenn vielleicht auch nicht in unserem Sonnensystem. Doch in den vergangenen Jahren gesammelte Daten über entlegene Regionen des Sonnensystems greifen dieses Konzept an. Denn gerade die aktivsten Himmelskörper – etwa der Jupitermond Io und die Saturnmonde Enceladus und Titan – liefern vielleicht gerade ein seltenes geologisches Schauspiel. Und auch Saturns prächtige Ringe entstanden möglicherweise erst vor relativ kurzer Zeit und könnten schon in kosmologisch relativ naher Zukunft ergrauen. Solche Gedanken bereiten Planetenforschern Kopfzerbrechen, da es statistisch betrachtet als äußerst unwahrscheinlich gilt, dass wir auch nur einen einzigen Planeten oder Mond zufällig in der regsten Phase ertappen könnten – geschweige denn gleich mehrere.

Die Saturnringe

Forscher dachten lange, Saturn habe seinen schillernden Schmuck bereits früh in seinem Leben angelegt: vor rund vier Milliarden Jahren. Die Ringe könnten die schimmernden Überreste eines zerborstenen Monds oder Kometen sein, der durch die Schwerkraft des riesigen Planeten auseinandergerissen wurde. Doch das gegenwärtige Erscheinungsbild der Ringe sei schwer mit einer Lebensdauer von Milliarden von Jahren zu vereinbaren, halten einige Planetenwissenschaftler dagegen [1]. Die Partikel in den Ringen bestehen zu 90 Prozent aus Wassereis und sollten durch den kohlenstoffhaltigen Staub von Kometen und Asteroiden mit der Zeit dunkler erscheinen. "Die Ringe von allen anderen Planeten – Jupiter, Uranus und Neptun – sehen alle sehr dunkel aus", sagt Jeff Cuzzi, NASA-Planetenforscher am Ames. "Und genau das würde man auch von stark verschmutztem Material erwarten."

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Saturn in Grün | Die Ringe des Gasplaneten Saturn gehören zu den Mysterien unseres Sonnensystems: Wann und wie sie entstanden, ist noch nicht vollständig geklärt.

Cuzzi zufolge lässt der Glanz der Saturnringe vermuten, dass irgendetwas – vielleicht ein eisiger Himmelskörper aus Regionen jenseits des Neptuns oder ein großer Saturnmond – nahe dem Planeten auseinanderbrach. Innerhalb der vergangenen paar hundert Millionen Jahre könnten die Trümmer dann die Ringe gebildet haben, also in weniger als zehn Prozent des derzeitigen Planetenalters. Der Glanz wäre jedoch vergänglich, denn die Ringe würden im Lauf der Zeit "düsterer und düsterer" werden, so der Wissenschaftler.

Geht man allerdings von jungen Ringen aus, führt das zu einem weiteren Rätsel: Während der ersten 700 Millionen Jahre seiner Geschichte flogen derart große Himmelskörper – aus denen sich die Ringe hätten bilden können – noch nahezu ungebremst und wild durch das Sonnensystem, doch seitdem sind sie sehr viel seltener geworden. Es besteht demnach nur eine winzige Chance, dass ein so großes Objekt in den vergangenen eine Milliarde Jahren an Saturn vorbeisauste, berichtet Cuzzi. Ebenso sei schwierig zu erklären, fügt er hinzu, wie ein ausreichend großer Mond dem Planeten in diesem Zeitrahmen genügend nahe kam.

Möglich wäre auch, dass die Ringe bereits vor Milliarden von Jahren entstanden und irgendwie ihr jugendliches Aussehen bewahrten. Wenn sie mindestens zehnmal schwerer sind als bislang angenommen, könnte dies tatsächlich der Fall sein, denn so hätte der Staub bisher nur einen geringen Effekt gehabt. "Wenn man einen Fingerhut voll schwarzer Farbe in einige Liter weißer Farbe kippt, kommt eine ziemlich dunkle Farbe heraus", erläutert Cuzzi. "Schüttet man dieselbe Menge schwarzer Farbe in ein Schwimmbad voller weißer Farbe, hat das dagegen kaum Folgen."

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Saturnringe | Aufnahme der Saturnringe durch die Raumsonde Cassini – inklusive des B-Rings, der sich stark von seinen zwei Nachbarn, dem A- und C-Ring, zu unterscheiden scheint (der B-Ring ist das breite helle Band in der Mitte).

Anklang findet diese These beispielsweise bei Robin Canup vom Planetary Science Directorate des Southwest Research Institute in Boulder, Colorado. "Mir ist kein Mechanismus bekannt, mit dem sich die Ringe erst vor Kurzem gebildet haben könnten – und zwar mit einer hinreichenden Wahrscheinlichkeit", sagt Canup. Bislang gibt es jedoch noch keine Hinweise auf eine fehlende Masse. Allerdings könnte sich diese im größten Ring versteckt halten: Der so genannte B-Ring ist derart undurchsichtig, dass Wissenschaftler seinen Inhalt nicht anhand von hindurchtretendem Licht untersuchen können. Die Lösung für dieses Rätsel könnte bald von der Raumsonde Cassini kommen, die Saturn seit 2004 umrundet. Am Ende der geplanten Missionsdauer im Jahr 2017 wollen die Flugleiter die Sonde zwischen den Planeten und den innersten D-Ring schicken. Vergleicht man die Bewegung der Raumsonde in unterschiedlich entfernten Umlaufbahnen um Saturn, so Cuzzi, lässt sich die Masse der Ringe mit bisher unerreichter Präzision messen. "Deuten die Cassini-Ergebnisse jedoch auf eine geringe Masse für die Ringe hin, wird es ein echtes Mysterium sein", gibt Canup zu bedenken.

Enceladus

Enceladus ist ein besonderer Mond: Während er Saturn umkreist, versprühen die Geysire an seinem Südpol eine glitzernde Spur aus Eispartikeln – den E-Ring. Wissenschaftler fragen sich, wie der Trabant diese Aktivität aufrechterhalten kann. Enceladus gibt vermutlich 16 Gigawatt an Wärme ab: Zehnmal mehr, als er aus dem Zerfall radioaktiver Elemente in seinem Inneren und laut den einfachsten theoretischen Modellen durch Gezeitenreibung – auf Grund der starken Schwerkraft des Saturns wird der Mond periodisch verformt und dabei erwärmt – erzeugen sollte.

Gleich mehrere Ansätze sollen diese ungewöhnlich hohe Wärmeemission erklären. Nur stützen sie sich allesamt auf Begründungen, nach denen Forscher den Mond zu einem besonderen Zeitpunkt betrachten. Einer der Vorschläge stammt von den beiden Planetenforschern Craig O'Neill von der Macquarie University in Sydney und Francis Nimmo von der University of California in Santa Cruz. Die Verformungen durch Gezeitenkräfte könnten demnach im Lauf von 100 Millionen bis hin zu einer Milliarde Jahren genügend Hitze produzieren, um die Kruste des Monds zu sprengen und Energie sowie Wasserdampf in den Weltraum hinauszublasen [2]. Diese aktive Phase dürfte nur rund zehn Millionen Jahre andauern, bevor die Kruste wieder abkühlt und die Geysire versiegen. Anschließend würde der Kreislauf von Neuem beginnen. "Es wirkt, als würde man sich auf einen Sonderfall berufen – wir existieren gerade jetzt, damit wir Enceladus auf frischer Tat ertappen", sagt O'Neill und gibt damit die Kritik wieder, die er bei der Präsentation dieses Modells auf Konferenzen gehört hatte. Allerdings kenne man solche Kreisläufe auch von Geysiren auf der Erde, etwa im Yellowstone-Nationalpark in den Vereinigten Staaten, so O'Neill, nur eben auf deutlich kürzeren Zeitskalen.

Saturnmond EnceladusLaden...
Enceladus | Die bewegte Oberfläche des Saturnmonds deutet darauf hin, dass er eine heftige geologische Vergangenheit und vielleicht eine ebensolche Gegenwart hat.

Episodenhafte tektonische Aktivität könnte auch erklären, warum verschiedene Teile des Monds unterschiedlich alt aussehen. Denn während einige Regionen mit Kratern übersät sind, wirken andere jugendlich frisch – vermutlich bedeckt mit neuer Kruste. Ein ähnlicher Flickenteppich an Oberflächen lässt sich auch auf einigen anderen Monden beobachten, darunter der riesige Jupitertrabant Ganymed und der kleine Uranusmond Miranda. Hätten diese Himmelskörper ebenfalls tektonisch aktive Phasen durchlebt, machte das Enceladus weniger zu einem Sonderfall. Die Chancen stünden dann jederzeit gut, dass sich zumindest einer von ihnen in einem lebhaften Stadium befindet, erläutert O'Neill.

Mit seinem Ansatz bleibt allerdings rätselhaft, warum der Saturnmond Mimas – der näher am Riesenplaneten liegt als Enceladus und dadurch stärkere Gezeitenkräfte erfährt – keinerlei Anzeichen für eine tektonische Aktivität aufweist. In seinem Innern könnte Mimas anders beschaffen sein, mutmaßt Nimmo, und wäre beispielsweise zu starr, um sich zu verformen. Dies sei aber nur eine Möglichkeit von vielen. "Mimas müsste mehr Wärme erzeugen als Enceladus, aber er tut es nicht. Und wir verstehen nicht wirklich, warum", fasst Nimmo zusammen. Zwischen 2015 und 2017 wird Cassini den Südpol von Enceladus ablichten und mehr Anhaltspunkte sammeln: Die Messungen der Raumsonde könnten dabei helfen, die Wärmeleistung der Geysire besser abzuschätzen.

Io

Verglichen mit dem Glutofen des Jupitermonds Io wirkt Enceladus in puncto Wärmeleistung ohnehin wie ein Glühwürmchen. Der vulkanisch aktivste Himmelskörper im Sonnensystem beherbergt Dutzende Vulkane, von denen einige Schwefel- und Schwefeldioxidwolken bis zu 500 Kilometer hoch in den Weltraum spucken – weiter als von der Erde zur Internationalen Raumstation. Die von Io freigesetzten 90 000 Gigawatt an Wärme übersteigen den theoretisch berechneten Wert um ein Vielfaches, wobei man sich auf die einfachsten Modelle zur gravitativen Wechselwirkung zwischen dem Mond und Jupiter stützt.

Diese Diskrepanz legt nahe, dass "Io in einigen Phasen vulkanisch aktiver ist als in anderen", meint David Stevenson, Planetenforscher am California Institute of Technology in Pasadena. Eine mögliche Ursache wäre, dass sich die Form seiner Umlaufbahn periodisch ändert. Derzeit verfolgt Io einen leicht exzentrischen Orbit um Jupiter, dank dem Schwerkrafteinfluss der beiden Monde Europa und Ganymed. Bei jedem Umlauf um Jupiter versetzten die beiden Monde Io einen Schubs "wie einem Kind auf einer Schaukel", veranschaulicht Stevenson. Dadurch verhindern sie, dass Jupiters Schwerkraft den Orbit von Io zu einer perfekten Kreisbahn formt.

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Io | Der Jupitermond Io gehört zu den geologisch aktivsten unseres Sonnensystems. Manche seiner Vulkane pusten Schwefelwolken 500 Kilometer hoch in die Atmosphäre.

Die exzentrische Bahn verstärkt die Gezeitenkräfte, die Ios Oberfläche bei jedem Umlauf um etwa zehn Meter verformen. Die dabei erzeugte Reibungswärme wird durch Vulkanausbrüche freigesetzt. Dabei verliert der Mond aber auch an Bahndrehimpuls, und deshalb zieht Io seine Runden zukünftig möglicherweise nicht mehr so weit entfernt von Jupiter wie momentan. Fließt die Energie in die Erwärmung seines Inneren, könnte sich seine Umlaufbahn letztlich immer mehr einer Kreisbahn annähern. Dadurch würden die Gezeitenkräfte abgeschwächt und der Mond abkühlen. Innerhalb von Millionen von Jahren befördern Europa und Ganymed Io möglicherweise wieder in einen exzentrischen Orbit – mit einer deutlich größeren Exzentrizität als heute, sagt Stevenson – und der Vorgang könnte erneut beginnen.

Valéry Lainey vom Pariser Observatorium stimmt zu, dass sich die Umlaufbahn von Io möglicherweise zyklisch verändert. Diese Hypothese wird auch durch Beobachtungen des Monds über mehr als ein Jahrhundert untermauert, die zeigen, dass sein Orbit tatsächlich etwas kreisförmiger werden könnte [3]. Stimmt das, sollte die heftige vulkanische Aktivität allmählich schwinden. Solche Bahnvariationen "würden mit den Daten übereinstimmen", sagt Stevenson. Doch obwohl es in der Natur nur so von zyklischen Mustern wimmelt, sagt der Planetenforscher, scheint Ios Verhalten, ebenso wie das von Enceladus, so verblüffend unbeständig, "dass wir sie vielleicht schlicht nicht verstehen".

Titan

2005 ließ Cassini die Landesonde Huygens durch die dichte Atmosphäre des größten Saturnmonds fallen. Auf ihrem Flug enthüllte sie eine Landschaft mit gewundenen Flussläufen, die an jene auf der Erde erinnern – mit einer entscheidenden Ausnahme: Nicht Wasser formte einen Großteil der Oberfläche, sondern Methan, das aus den Kohlenwasserstoffwolken abregnet. Doch das Methan in der Atmosphäre – und ebenso sein Effekt auf die Landschaft – sollten von kurzer Dauer sein. Denn das Sonnenlicht treibt Reaktionen an, bei denen sich Methan in schwerere Kohlenwasserstoffe umwandelt. Durch diesen Abbauprozess müsste Titans atmosphärischer Methanspeicher in einigen zehn Millionen Jahren erschöpft sein. Entweder beobachten Forscher den Mond also in einem seltenen Moment, kurz nach einer massiven Freisetzung von Methan in die Atmosphäre, oder, wie viele glauben, ein unbekannter Prozess füllt wieder auf, was das Sonnenlicht zerstört.

Mit Cassini entdeckte man eine Reihe von möglichen Eisvulkanen, die Methan aus dem Mondinneren an die Oberfläche befördern. Dieser Pumpmechanismus könnte durch Hitze angetrieben werden, die durch den Zerfall radioaktiver Elemente im Inneren des Monds sowie durch Gezeitenreibung entsteht. Einer dieser Vulkankandidaten ist Titans höchster bekannter Berg, Doom Mons, der in einer Region namens Sotra Facula direkt neben der größten Vertiefungen des Monds liegt. Die Ablagerungen in diesem Gebiet könnten von methanreichem Eisschlamm stammen, spekuliert Rosaly Lopes vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena, die aus dem Berg hinausschossen, wodurch der benachbarte Bereich einbrach und die Kuhle entstand.

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Titan | Den Saturnmond Titan umhüllt eine kohlenwasserstoffreiche Atmosphäre – die aber vielleicht nur vorübergehend vorhanden ist.

Moore sieht das anders. Seiner Ansicht nach ließen andere Prozesse, wie Einschläge und die Erosion durch Methanflüsse, die vermeintlich vulkanischen Geländeformationen entstehen [4]. Wissenschaftler sehen Titan zu einer einzigartigen und geologisch flüchtigen Zeit, meint er. Methan und Stickstoff – der Hauptbestandteil von Titans Atmosphäre – lagen bis vor ein paar Dutzend oder 100 Millionen Jahren in gefrorener Form auf der Mondoberfläche. Schließlich ließ die Sonne, die im Lauf ihrer 4,6 Milliarden Jahre allmählich wärmer wurde, dieses Eis verdampfen und verursachte dadurch vielleicht innerhalb von nur einer Million Jahre eine methanreiche Atmosphäre.

Anschließend kondensierte das Methan in der Atmosphäre, und es "regnete wie aus Kübeln", so Moore, wodurch sich die heute beobachtete Landschaft formte. Allmählich wandelte die Sonneneinstrahlung das Methan in schwerere Kohlenwasserstoffe, und der Regen nahm ab. In weiteren 40 Millionen Jahren könnte das Methan laut Moore ganz verschwinden, und Titan würde wieder ein nahezu unverändertes Landschaftsbild annehmen – unter einem blauen, mit Stickstoff gefüllten Himmel, der sich über einer rötlichen, mit Kohlenwasserstoff bedeckten Oberfläche erstreckt.

Ralph Lorenz vom Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory in Laurel findet Moores Ansatz dagegen zu grob vereinfachend. Einige Befunde sprechen dafür, argumentiert er, dass es Jahrmilliarden gebraucht hätte, um das atmosphärische Methan abzubauen und dadurch die mit Kohlenwasserstoff gefüllten Dünen hervorzubringen, die heute 20 Prozent der Mondoberfläche bedecken. Wenn dem so ist, hätte der Flüssigkeitskreislauf viel Zeit in Titans bisheriger Geschichte eingenommen.

Weitere Beobachtungen mit Cassini werden zeigen, wie stark sich Titans Oberfläche auf Zeitskalen von einigen Jahren verändert. Forscher können dann besser abschätzen, wie lange der Methanregen tatsächlich die Landschaft formte. "Ich denke, wir müssen mit der Zeit eine sehr viel differenzierte Sicht auf Titan bekommen", sagt Lorenz. "Titan ist verdammt komplex."

Der Artikel erschien unter dem Titel "Caught in the act" in Nature 493, S. 592-596.

7. KW 2013

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 7. KW 2013

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