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Autor: Axel Orth / 01. Januar 2010, 19:48 Uhr

Iapetus´ Yin-Yang-Rätsel ist gelöst

Warum Saturns bizarrster Mond Iapetus zwei derart verschiedene Hemisphären hat, konnte von einem internationalen Forscherteam geklärt werden. Ausschlaggebend war die Entdeckung des Phoebe-Rings im Oktober.

Quelle: Freie Universität Berlin, Southwest Research Institute (USA)
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NASA/JPL/SSI

Bild vergrößernIapetus: Links die "führende" Bugseite mit der Cassini Regio, rechts die "nachlaufende" Heckseite (Farbbild).
(Bild: NASA/JPL/Space Science Institute)
Iapetus, einer der äußeren Saturnmonde, kreist jenseits des schon lange bekannten Saturn-Ringsystems. Er rotiert gebunden, wendet also Saturn immer dieselbe Seite zu, wie unser Mond der Erde auch. Was ihn aber vor allem auszeichnet: Die auf seiner Umlaufbahn voran weisende "Bugseite" ist zum Großteil dunkel wie Kohle, die "Heckseite" weiß wie Schnee. Dieses Yin-Yang-artige Aussehen ist einzigartig im Sonnensystem, aber schon fast so lange bekannt wie man weiß, dass der Saturn überhaupt Monde hat.

Vor 30 Jahren flogen die Voyager-Sonden durch das Saturnsystem und bestätigten das bizarre Aussehen des Mondes. Es wurde offensichtlich, dass der Mond eigentlich eine sehr helle Oberfläche hat, die auf der Bugseite von einer dünnen Schicht eines dunklen Materials bedeckt wird. Spätestens seit den Zeiten von Voyager rätseln Wissenschaftler über das Zustandekommen dieser sogenannten "Cassini Regio": Kommt das bedeckende Material von außerhalb, oder hat der Mond es aus seinem Inneren ausgestoßen? Und warum hat es sich so ungleichmäßig verteilt?

Schon seit 2004 erforscht die Sonde Cassini das Saturnsystem. Mehrere nahe Vorbeiflüge an Iapetus, vor allem im September 2007, erbrachten immer detailliertere Bilder der Oberfläche, vermochten das Rätsel aber nicht zu lösen. Vielmehr fügten sie noch ein weiteres Rätsel hinzu, denn sie zeigten einen schmalen, aber hohen Gebirgszug, der sich fast genau auf dem Äquator praktisch um den ganzen Mond zieht. Auch diese Struktur, genannt "Voyager Mountains", ist einzigartig im gesamten Sonnensystem.

NASA/JPL/Space Science Institute

Bild vergrößernAusweitung der Cassini Regio über die Breitengrade von Iapetus. Das Originalbild (links) wurde zur Hervorhebung kontrastverstärkt (mitte, rechts).
(Bild: NASA/JPL/Space Science Institute)
Im Oktober 2009 wurde nun bekannt, dass Saturn außerhalb seines schon seit Jahrhunderten bekannten Ringsystems noch über einen weiteren, wesentlich ausgedehnteren Ring verfügt (Raumfahrer.net berichtete). Dieser Ring hat allerdings eine sehr geringe Dichte von nur etwa 20 Materieteilchen pro Kubikkilometer. Er wurde auch nicht von Cassini entdeckt, wie man meinen könnte, sondern mit den Infrarot-Instrumenten des Weltraumteleskops Spitzer. Inmitten dieses neuen Rings orbitiert Saturns äußerster Mond Phoebe, und es gilt als sehr wahrscheinlich, dass Phoebe die Quelle dieses Rings ist, ähnlich wie sich auch bei anderen Saturnringen oft Monde als deren Quelle herausgestellt haben. Man nimmt an, dass das Material bei Mikrometeoriten-Einschlägen auf dem kleinen und dunklen Phoebe ins All geschleudert wird.

Iapetus ist von Phoebe aus gesehen der nächstinnere Saturnmond und läuft in entgegengesetzter Richtung um, auf einer nicht ganz so stark geneigten Bahn. Das dunkle Material der Cassini Regio hat eine ähnliche Färbung wie Phoebes Oberfläche. Eine der Theorien, die das Zustandekommen der Cassini Regio mit externem Material erklären wollen, lautete denn auch dahingehend, dass das dunkle Material von Phoebe stammt. Fragte sich nur, wie das Material von Phoebe nach Iapetus gekommen ist?

NASA/JPL/Space Science Institute

Bild vergrößernSaturns neuentdeckter "Phoebe-Ring".
(Bild: NASA/JPL/Space Science Institute)

Mit der Entdeckung des Phoebe-Rings hat diese Theorie verständlicherweise erheblichen Auftrieb erfahren. Joseph A. Burns von der Cornell-Universität nannte den neuentdeckten Ring eine "smoking gun", die die These des externen Materials stark unterstützt. Zwei internationale Forscherteams unter der Leitung von Tilmann Denk von der Freien Universität Berlin und John Spencer vom Southwest Research Institute in Boulder/Colorado, haben in den Monaten seit der neuen Entdeckung versucht, das Zustandekommen der Cassini Regio unter anderem mit Computermodellen zu simulieren. Ihre Ergebnisse, die im Dezember in "Science" veröffentlicht wurden, stimmen so gut mit der Realität überein, dass man das jahrhundertealte Rätsel jetzt wohl als gelöst ansehen kann.

Ein Problem mit der Theorie war, dass die Ablagerung einfallenden Staubes auf Iapetus das Aussehen des Mondes allein nicht erklären kann. Insbesondere die Ränder der Cassini Regio zeigen keinen allmählichen Übergang zum hellen Eis, wie man es erwarten würde, sondern wirken recht jäh, dabei gleichzeitig aber auch merkwürdig ausgefranst. Es musste zusätzliche Mechanismen geben, die zu diesen und anderen Effekten führen.

Southwest Research Institute/NASA/JPL/SSI/Steve Albers, NOAA

Bild vergrößernComputersimulation zur "Thermal Segregation": Zustand der simulierten Oberfläche nach 260 Mio., 1,2 Mrd. und 2,4 Mrd. Jahren im Vergleich zur realen Iapetus-Oberfläche (unten). Die Oberfläche des Mondes wird in "abgewickelter" Form dargestellt mit den Längengraden auf der x-Achse; links Heckseite, rechts Bugseite).
(Bild: Southwest Research Institute/NASA/JPL/SSI/Steve Albers, NOAA)
Eine durch den einfallenden Staub verdunkelte Oberfläche heizt sich, wenn Sonnenlicht darauf fällt, stärker auf als eine hell gebliebene Oberfläche. Könnte dieser Effekt eine Rolle spielen? Messungen der Temperaturverteilung des Mondes mit dem Cassini-Instrument CIRS zeigten, dass die dunklen Regionen, wenn sie im Sonnenlicht liegen, Temperaturen von bis zu 128 Kelvin (ca. -145 °C) erreichen. In Verbindung mit Iapetus´ ungewöhnlich langer Rotationsperiode von 79 Tagen reicht dies aus, um Eis soweit zu erwärmen, dass unter den Bedingungen des Vakuums ein gewisses Quantum verdampft und entweicht, während der dunkle Staub zurück bleibt. Die Wissenschaftler postulierten daraus ein Modell namens "thermale Segregation": In der Cassini Regio verdampfen bei Sonnenlichteinfall fortlaufend geringe Mengen Eis - je näher am Äquator, desto mehr. Der entstehende Dampf entweicht nicht ins Weltall, kann aber auch nicht dauerhaft auf der dunklen, erwärmten Oberfläche re-kondensieren, sondern wandert nach und nach zu Stellen der Oberfläche in höheren Breiten, wo das Sonnenlicht flacher einfällt und die Oberfläche kühler bleibt, beziehungsweise auf der Heckseite, die keinen Staub "eingefangen" hat und somit ohnehin kühl bleibt, auch bei einfallendem Sonnenlicht.

Selbstverständlich kann dieser Prozess nicht im großen Maßstab abgelaufen sein, vor allem nicht am Anfang, als die Verdunkelung durch den Staub noch sehr gering war. Mit kontinuierlich weiter einfallendem Staub, dadurch bedingten höheren Temperaturen und sich selbst verstärkender thermaler Segregation, dürfte der Effekt in den niedrigen Breiten des Mondes aber ausgereicht haben, um im Laufe von Milliarden Jahren eine Schicht von mehreren Metern Eis zu verdampfen, so dass an diesen Stellen heute nur noch dunkler Staub liegt.

Die Wissenschaftler haben ein Computermodell aufgesetzt, das die Entwicklung der thermalen Segregation während der letzten 2,4 Milliarden Jahre nachbildete. Anfangs ist die Oberfläche von Iapetus noch gleichmäßig hell. Weitere Bilder nach 260 Millionen und 1,2 Milliarden Jahren zeigen eine zunächst leichte und dann deutliche Verfärbung der Bugseite, und nach 2,4 Milliarden Jahren stimmen Form und Lage der dunklen Zone gut mit der Cassini Regio auf dem realen Iapetus überein. Somit kann das jahrhundertealte Rätsel von Iapetus nach Ansicht der Wissenschaftler als gelöst betrachtet werden.

Als zweites Iapetus-Rätsel bleibt der Forschung jetzt noch der Gebirgszug "Voyager Mountains" auf dem Iapetus-Äquator. Kann auch er auf den äonenlang einfallenden Staub des Phoebe-Rings zurückzuführen sein? Dass er nur fast und nicht genau auf dem Äquator liegt, könnte ja irgendwie mit den unterschiedlichen Bahnneigungen von Iapetus und Phoebe zu tun haben ...

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