Ceres’ verborgener Wasserozean

Im Asteroidengürtel drehen hunderttausende Asteroiden ihre Bahn um die Sonne. Die meisten davon befinden sich zwischen den Planeten Mars und Jupiter. Der größte Asteroid, Ceres, sieht auf dem ersten Blick wie unser Mond aus und enthält fast 30 % der Gesamtmasse aller Asteroiden. Ceres wurde im Jahr 2006 zum Zwergplaneten gekürt und fällt damit in dieselbe Klasse von Himmelskörpern wie der einstige Planet Pluto. Ceres ist der kleinste bislang gefundene Zwergplanet und der einzige im Inneren des Sonnensystems. Alle anderen Zwergplaneten befinden sich jenseits der Neptunbahn. Mit knapp 1000 km Durchmesser ist er zwar wesentlich kleiner als unser Mond, dennoch groß genug, um aufgrund der eigenen Gravitation kugelrund zu sein, was eines der Kriterien ist, um als Zwergplanet eingestuft zu werden.

Abb. 1: Ceres, fotografiert am 4. Mai 2015 von der Raumsonde Dawn aus 13.600 km Entfernung. (© NASA/JPL-CALTECH/UCLA/MPS/DLR/IDA)

In den Jahren 2015 bis 2018 wurde Ceres eingehend von der Raumsonde Dawn untersucht und die Ergebnisse lassen die Astronomen immer wieder staunen. So entdeckte man, dass sich die Oberfläche im Laufe des Ceres-Jahres (entspricht 4,6 Erdjahren) verändert. Da Ceres sich auf einer elliptischen Bahn um die Sonne bewegt, schwankt die Sonneneinstrahlung auf Ceres und damit seine Oberflächentemperatur. Dies verursacht Jahreszeiten auf Ceres. Eine Gruppe von Planetenforschern (Raponi 2018) untersuchten den Einschlagkrater Juling auf Ceres’ Südhalbkugel mit Hilfe von Messungen der Raumsonde Dawn. Juling hat sehr steile Kraterwände, in denen die Forscher eindeutige Hinweise auf Wassereis in den Gesteinen fanden. Die eishaltige Fläche innerhalb des Kraters vergrößerte sich während des Beobachtungszeitraums von ursprünglich 3,6 Quadratkilometern auf 5,5 Quadratkilometer. Die Forscher erklären diesen Zuwachs damit, dass durch den Anstieg der Temperatur Wasserdampf aus den Gesteinen im Inneren des Kraters freigesetzt wird, der sich als Wassereis in den schattigen Bereichen des Kraters absetzt und dadurch die Größe der eishaltigen Flächen erhöht.

Abb. 2: Salzablagerungen im Occator-Krater auf Ceres (Farbgebung teilweise künstlich). (© NASA/JPL-CALTECH/UCLA/MPS/DLR/IDA)

Schon bevor dieser Befund gemacht wurde, waren sich die Forscher einig, dass Ceres zu einem großen Teil aus Wassereis besteht. Die beiden wichtigsten Hinweise darauf sind die geringe mittlere Dichte von nur 2,2 g/cm³ und die Bekraterung von Ceres: Es fehlen große Krater (Marchi 2016) und es werden weniger kleine Krater als sonst bei solchen Objekten üblich gefunden. Dies deuten die Forscher als Hinweis, dass Ceres unter der Oberfläche aus weichem, zähem Material besteht, was große Einschläge absorbiert, kleinere Einschläge dämpft und im Laufe der Zeit Kraterränder durch geologische Aktivität verschwinden lässt, wie dies auch auf der Erde der Fall ist. Direkte Hinweise auf solch eine geologische Aktivität geben auffallend helle Bereiche wie der Haulani-Krater rechts in Abb. 1. Diese Bereiche sind Salzablagerungen (Carrozzo 2018) und bestehen hauptsächlich aus Magnesium-Kalzium-Karbonaten und aus Natrium-Karbonat. Spektralanalysen dieser Karbonate ergeben, dass sie auch Wasseranteile enthalten. Dies bedeutet, dass die Ablagerungen relativ jung sind, da das Wasser in Abwesenheit einer Atmosphäre in wenigen Millionen Jahren vollständig aus den Salzablagerungen verschwinden würde. Die Forscher gehen demnach davon aus, dass Ceres vulkanisch aktiv ist und immer wieder salziges Wassereis an die Oberfläche gebracht wird.

Kürzlich berichteten Forscher in Nature Astronomy Letters (Raimond 2020) von einer weiteren erstaunlichen Entdeckung: Ceres besitzt aller Wahrscheinlichkeit nach einen unter-„erdischen“ Wasserozean. Damit würde der kleine Zwergplanet in die Reihe der exotischen Eismonde aufgenommen werden, insbesondere des Jupitermondes Europa, der unter einer Eisdecke einen Ozean aus flüssigem Wasser verbirgt.

Auf Ceres landete bislang keine Raumsonde, geschweige denn, dass man dort Tiefbohrungen vorgenommen hätte. Wie also kommen die Astronomen zu dieser Schlussfolgerung? Zu den schon vorher genannten Indizien auf Wassereis unter der Oberfläche liegen nun Modellierungsergebnisse vor, die auf der Basis detaillierter Messungen des Schwerefeldes von Ceres gemacht wurden. Die Raumsonde Dawn ist im Jahr 2018, kurz bevor ihr der Treibstoff ausging, in einem letzten Manöver in geringer Höhe über den berühmten Occator-Krater (Abb. 2) hinweggeflogen und hat dabei sehr genaue Messungen des Schwerefeldes dieses Gebietes gemacht. Diese Messungen wurden ausgewertet und ermöglichen eine detaillierte Modellierung der Dichteverteilung der inneren Schichten um den Krater herum.

Diese Auswertungen legen das Vorkommen flüssigen Wassers unter der Oberfläche nahe. Lange haben die Astronomen gezögert, diese Schlussfolgerung zu ziehen, da ihnen kein Mechanismus bekannt war, wie sich flüssiges Wasser auf einem so kleinen Himmelskörper halten kann. Bei den anderen Eismonden wird als Mechanismus die Gezeitenwirkung der nahe gelegenen Planeten Jupiter und Saturn angenommen, die durch Reibung des Inneren der Monde für die notwendige Wärmeenergie sorgen. Bei Ceres ist aber kein Planet in der Nähe. Die Astronomen setzen nun auf eine mögliche Erklärung, die eine Kombination zweier Faktoren ist: Das Wasser ist extrem salzhaltig, was den Gefrierpunkt deutlich absenkt. Außerdem könnte das Innere des Mondes schwach radioaktiv sein. Ob diese Erklärung ausreicht, ist noch nicht abschließend erforscht. Vielleicht ist Ceres auch einfach jünger als bislang angenommen.

P. Korevaar

[Carrozzo FC et al. (2018) Nature, formation, and distribution of carbonates on Ceres. Sci. Adv. 4:e1701645, https://advances.sciencemag.org/content/4/3/e1701645 • Marchi S et al. (2016) The missing large impact craters on Ceres. Nat. Commun.7: 12257 • Raponi A et al. (2018) Variations in the amount of water ice on Ceres’ surface suggest a seasonal water cycle. Sci. Adv. 4:eaao3757, https://advances.sciencemag.org/content/4/3/eaao3757 • Raymond CA (2020) Impact-driven mobilization of deep crustal brines on dwarf planet Ceres. Nature Astronomy 4, p741.]