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Eisvulkane und ein versteckter Ozean: Zwergplanet Ceres ist sehr aktiv und einmalig

  • Rund drei Jahre lang untersuchte die Raumsonde “Dawn” den Zwergplaneten Ceres.
  • Sie schickte einzigartige Aufnahmen und wertvolle Messdaten zur Erde zurück.
  • Die Analysen zeigten, dass Ceres in vielerlei Hinsicht einzigartig ist.
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London/Pasadena/Göttingen. Unser Sonnensystem ist um eine Wasserwelt reicher: Der eisige Zwergplanet Ceres im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter birgt nach Messungen der Raumsonde “Dawn” Reste eines unterirdischen Ozeans. Vermutet hatten Forscher das versteckte Wasserreservoir schon länger, “Dawn” bestätigte diesen Verdacht in der Verlängerung der Mission. In insgesamt sieben wissenschaftlichen Aufsätzen beschreiben die beteiligten Wissenschaftler die verschiedenen Ergebnisse der Flugverlängerung in den Fachblättern “Nature Astronomy”, “Nature Geoscience” und “Nature Communications”. Ceres ist demnach geologisch überraschend aktiv.

Dieses Mosaikbild verwendet Falschfarben, um die Sole oder salzige Flüssigkeiten hervorzuheben, die aus einem tiefen Reservoir unter der Kruste von Ceres nach oben gedrückt wurden. In dieser Ansicht einer Region des Occator-Kraters erscheinen sie rötlich. © Quelle: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/ID

Ceresozean ist eine dicke, flüssige Salzlake

Der unterirdische Ceresozean hat allerdings kaum Ähnlichkeit mit irdischen Meeren. Stattdessen handelt es sich wohl eher um eine dicke Salzlake, die 40 Kilometer unter der Oberfläche des Eiszwergs den frostigen Umweltbedingungen getrotzt hat. Die Salze haben den Gefrierpunkt offensichtlich so weit herabgesetzt, dass die Sole auch bei Minustemperaturen bis heute flüssig geblieben ist, möglicherweise dank sehr langsam aufsteigender innerer Wärme des Zwergplaneten.

Das tief liegende Salzwasser identifizierte ein Team um “Dawn”-Chefwissenschaftlerin Carol Raymond vom California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena unter anderem anhand von Präzisionsmessungen der Schwerkraft von Ceres. Die Schwerkraftdaten sind jedoch nicht der einzige Hinweis auf den unterirdischen Ozean.

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Acht Jahre und fünf Milliarden Kilometer später

Ceres ist das größte Objekt im Asteroidengürtel und zugleich der bislang kleinste Zwergplanet. Mit einem Durchmesser von rund 940 Kilometern ist die Eiskugel deutlich kleiner als der Erdmond (3470 Kilometer Durchmesser). Ihre Oberfläche ist schwärzer als Asphalt und reflektiert nur etwa 9 Prozent des einfallenden Sonnenlichts. Die Durchschnittstemperatur an der Oberfläche liegt bei minus 110 Grad Celsius.

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Im Jahr 2007 schickte die US-Raumfahrtbehörde Nasa die Sonde “Dawn” auf den Weg zum Asteroiden Vesta und dann weiter zu Ceres. Nach acht Jahren und einer insgesamt knapp fünf Milliarden Kilometern langen Flugroute war die Sonde im März 2015 nach dem Zwischenstopp bei Vesta schließlich in eine Umlaufbahn um den Zwergplaneten eingeschwenkt und untersuchte ihn bis 2018.

Occator-Krater: Teilweise 2000 Meter hoch und noch “jung”

Zum Ende ihrer Mission war “Dawn” im Tiefflug über die Oberfläche von Ceres gerast. Bei einem Abstand von zum Teil nur 35 Kilometern gelangen mit dem unter deutscher Federführung entwickelten Kamerasystem einzigartige Aufnahmen mit einer Detailauflösung von bis zu 3,5 Metern. Das besondere Interesse der Forscherinnen und Forscher gilt dem Occator-Krater, einem Becken mit etwa 92 Kilometern Durchmesser, geschaffen vor rund 22 Millionen Jahren durch einen großen Treffer.

Der Krater, dessen Wände vom Boden zum Teil 2000 Meter steil in die Höhe ragen, war schon beim Anflug der Sonde durch seine leuchtend weißen Flecken auf dem Boden aufgefallen. Wie sich herausstellte, handelt es sich dabei um Salzablagerungen, die in kosmischen Maßstäben erst kürzlich entstanden sein können, weil sie sonst vom Staub der regelmäßigen Einschläge von Mikrometeoriten verdunkelt worden wären.

Entstehungsgeschichte des Kraters wird rekonstruiert

“Genau betrachtet hat der Occator-Krater eine sehr komplexe Struktur mit Erhöhungen, Absenkungen, Ablagerungen, Rissen und Furchen. In allen Einzelheiten ist dies erst in der letzten Missionsphase deutlich geworden”, erläutert der wissenschaftliche Leiter des “Dawn”-Kamerateams, Andreas Nathues vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen, in einer Mitteilung seines Instituts. “Aus der heutigen Morphologie des Kraters können wir seine Entstehungsgeschichte rekonstruieren – und so einen Blick in die bewegte Vergangenheit von Ceres werfen.”

Salzflecken entstanden durch Einschlagwärme

Die auffälligen Salzablagerungen sind auf zwei Regionen innerhalb des Occator-Kraters verteilt, die Cerealia Facula und Vinalia Facula getauft wurden. “Facula” steht für “helle Region”. Die Cerealia Facula liegt im Zentrum des Occator-Kraters, Vinalia Facula auf dem östlichen Kraterboden. Die Forscher gehen davon aus, dass die Salzflecken durch zwei Prozesse entstanden sind.

“Bei den großen Ablagerungen von Cerealia Facula stammt der Großteil der Salze aus einer salzigen Region direkt unter der Oberfläche, die durch die Hitze des Einschlags aufgeschmolzen ist, der vor rund 20 Millionen Jahren den Krater geformt hat”, berichtet “Dawn”-Chefwissenschaftlerin Raymond. “Die Einschlagwärme ist nach ein paar Millionen Jahren abgeklungen. Der Einschlag hat jedoch auch große Brüche erzeugt, die bis zum tiefen, langlebigen Reservoir reichten, was der Sole ermöglichte, weiter an die Oberfläche zu sickern.”

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Starkes Indiz für flüssiges Wasser ausgemacht

Wahrscheinlich hält dieser Prozess bis heute an. In den Ablagerungen von Cerealia Facula entdeckte ein Team um Maria Cristina De Sanctis vom italienischen Nationalen Institut für Astrophysik in Rom mit “Dawn” das Mineral Hydrohalit, das in irdischem Meereis häufig ist und nun erstmals außerhalb der Erde nachgewiesen wurde. “Das Hydrohalit muss erst ganz kürzlich abgelagert worden sein”, schreibt Julie Castillo-Rogez vom Jet Propulsion Laboratory der Nasa in einem Begleitkommentar in “Nature Astronomy”.

Denn unter den Bedingungen an Ceres’ Oberfläche ist das Mineral nicht stabil. Das in ihm enthaltene Wasser verdampft in kurzer Zeit. Das ist ein starkes Indiz für flüssiges Wasser im Untergrund, das noch immer an die Oberfläche gelangt.

Enthält auch Pluto verstecktes Wasser?

Die Beförderung von Ceres in die Gruppe der Wasserwelten in unserem Sonnensystem widerspricht auf den ersten Blick der landläufigen Vorstellung. Denn bei fast allen anderen Himmelskörpern mit unterirdischen Ozeanen handelt es sich um Eismonde der Riesenplaneten. Sie werden von den Gezeitenkräften der Gasriesen geradezu durchgewalkt, was Wärme erzeugt und die versteckten Meere flüssig hält. Nur der Eiszwerg Pluto am Rande unseres Systems ist eine Ausnahme. Auch in ihm vermuten Forscher flüssiges Wasser, und die Erkenntnisse von Ceres könnten nun helfen einzuschätzen, wie Pluto dieses Wasser flüssig halten könnte, schreibt Castillo-Rogez.

“Bemerkenswert”: Occator-Krater möglicherweise noch aktiv

“Bemerkenswert ist vor allem, wie lange der Occator-Krater aktiv war und möglicherweise noch immer ist”, betont Nathues. Sein Team hatte mit “Dawn” auch eine Art dünne Dunstschicht über dem Krater erspäht, die auf verdampfendes Wasser hindeutet. Schon das Weltraumteleskop “Herschel” hatte 2014 Hinweise auf eine extrem dünne, wasserhaltige Atmosphäre gefunden. Nathues zufolge hat auf dem Zwergplaneten vor ungefähr neun Millionen Jahren eine Phase von Kryovulkanismus begonnen, also der Auswurf von Wasser und Eis statt Lava. Auf der geologischen Skala ist das noch nicht lange her. “Wir gehen davon aus, dass Ceres noch immer gelegentlich kryovulkanisch aktiv ist”, berichtet der Forscher.

Kryovulkanismus ist im Sonnensystem einzigartig

Vermutlich seien die Kryovulkanausbrüche in ihrer frühen Phase zum Teil auch explosiv abgelaufen, heute habe sich Ceres’ Kryovulkanismus jedoch beruhigt, und das Wasser aus dem tiefen Untergrund entweiche nun in erster Linie durch Verdampfen. “Ein solcher Kryovulkanismus ist nach bisherigem Kenntnisstand im Sonnensystem einzigartig”, betont Co-Autor Nico Schmedemann von der Universität Münster. Die meisten Kryovulkane auf anderen Himmelskörpern in unserem Sonnensystem werden durch Gezeitenkräfte angetrieben, etwa auf dem Saturnmond Enceladus, der vom Ringplaneten durchgeknetet wird, wobei Material im Inneren des Mondes schmilzt, das dann flüssig zur Oberfläche drängt.

Warme Sole strömt rund um den Krater

Auch die Ablagerungen der Vinalia Facula, einer Reihe von zwei bis fünf Kilometer großen hellen Flecken im Osten des Occator-Kraters, die meist weniger als zehn Meter dick sind, führen Forscher auf ausströmende Sole zurück. Ein Team um Paul Schenk vom Lunar and Planetary Institute in Houston berichtet, dass es im Bereich der Vinalia Facula Hunderte oder gar Tausende Austrittsstellen der warmen Sole gibt und sich die individuellen Ablagerungen dort, wo diese Lecks am häufigsten sind, zu den großen hellen Regionen verbunden haben, die wir heute sehen.

Interessanterweise finden sich Hunderte Kilometer vom Occator-Krater entfernt an den Flanken des vier Kilometer hohen Bergs Ahuna Mons ebenfalls Salzablagerungen, die mit verdampfender Sole erklärt werden.

Kleine Eishügel gab es bislang nur auf dem Mars

Auf dem Boden des Occator-Kraters gibt es zahlreiche kleine Hügel, die an irdische Pingos erinnern – kleine Eishügel aus gefrorenem Grundwasser in den Polarregionen der Erde. Solche Hügel sind auch auf dem Mars bereits beobachtet worden und nun zum ersten Mal auf einem Zwergplaneten. Ein Forscherteam um Britney Schmidt vom Georgia Institute of Technology in Atlanta berichtet in “Nature Geoscience”, dass sich diese Hügel wahrscheinlich durch gefrierendes Wasser gebildet haben, das durch den Einschlag freigesetzt worden war. Die Beobachtung belegt, dass sich kryohydrologische Prozesse auch jenseits von Erde und Mars abspielen.

Ceres als Topkandidat für mögliche Lebensräume

Insgesamt zeigt sich Ceres als erstaunlich aktiver Himmelskörper. Ein interessanter Aspekt sind die vom Einschlag erzeugten hydrothermalen Systeme, wie Schenk betont. Denn solche Systeme seien Topkandidaten für mögliche Lebensräume auf der jungen Erde und daher für die Astrobiologie von Bedeutung.

Die genaue Erforschung dieser Systeme und die Suche nach etwaigen lebensfreundlichen Bedingungen muss allerdings einer möglichen künftigen Raumfahrtmission überlassen werden. Im Oktober 2018 ging “Dawn” wie erwartet der Treibstoff aus. Seitdem umkreist die Sonde als stummer Begleiter den Zwergplaneten. Um Ceres nicht mit irdischem Material zu verunreinigen, wurde “Dawn” gemäß der Planetenschutzrichtlinie der Nasa in einer Umlaufbahn geparkt, die einen Absturz der Raumsonde auf den Zwergplaneten für die nächsten Jahrzehnte ausschließt.

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