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Autor: Ralph-Mirko Richter / 24. April 2013, 20:08 Uhr

Jupiter: Wasser durch Kometeneinschläge

Seitdem das Infrared Space Observatory im Jahr 1997 in der Jupiteratmosphäre Wasser nachweisen konnte, waren sich die Wissenschaftler nicht sicher, woher dieses stammt. Durch Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop Herschel konnte jetzt nachgewiesen werden, dass der Großteil dieses Wassers im Jahr 1994 durch den Einschlag des Kometen Shoemaker-Levy 9 in die Jupiteratmosphäre gelangte.

Quelle: ESA, JPL
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Wasserverteilung: ESA/Herschel/T. Cavalié et al.; Jupiter: NASA/ESA/Reta Beebe (New Mexico State University)

Bild vergrößernDie Verteilung von Wasser in der Jupiteratmosphäre: Deutlich ist auf den Daten des Herschel-Teleskops eine asymmetrische Verteilung erkennbar. Wasser - hier in hellblau dargestellt - tritt auf der Südhemisphäre deutlich öfters auf als auf der Nordhälfte. Dunkelblau markiert dagegen eine geringe Wasserkonzentration.
(Bild: Wasserverteilung: ESA/Herschel/T. Cavalié et al.; Jupiter: NASA/ESA/Reta Beebe (New Mexico State University))
Bereits im Jahr 1997 gelang den Planetenforschern mit dem am 17. November 1995 gestarteten Infrared Space Observatory (ISO) der Nachweis, dass die obere Atmosphäre des Jupiters, des größten Planeten unseres Sonnensystems, deutlich erkennbare Spuren von Wasser enthält. Der Ursprung dieses Wassers war für die Planetenforscher während der letzten 15 Jahre allerdings ein ungelöstes Rätsel.

Das Innere des Jupiters, wo sich größere Mengen an Wasserdampf befinden, scheidet dabei als Quelle definitiv aus. Um die obersten Schichten der Jupiteratmosphäre - die Stratosphäre - zu erreichen, müsste aus dem Inneren des Jupiters entweichendes Wasser zunächst eine zwischen der tiefer gelegenen Troposphäre und der Stratosphäre gelegene Zone passieren, in welcher extrem tiefe Temperaturen vorherrschen. Beim Durchqueren dieser "Kältefalle" würden die Wassermoleküle ausfrieren und - noch bevor sie die Stratosphäre erreichen - in Form von Eiskristallen in die Troposphäre zurückfallen.

Somit kommt für das nachgewiesene Wasser lediglich eine externe Quelle in Frage. Im Rahmen der entsprechenden Analysen kam schließlich die Vermutung auf, dass ein Komet, welcher drei Jahre zuvor mit dem Jupiter kollidierte, als "Wasserträger" fungiert haben könnte. Im Juli 1994 stürzten insgesamt größere 21 Fragmente des Kometen Shoemaker-Levy 9 in die Jupiteratmosphäre und hinterließen auf der südlichen Hemisphäre des Jupiters noch über mehrere Monate hinweg deutlich erkennbare Spuren.

Weitere "Verdächtige" waren in den Augen der Wissenschaftler das Ringsystem des Jupiters, welches sich neben Staub auch aus Wassereispartikeln zusammensetzt, verschiedene mit einer eisbedeckten Oberfläche versehene Jupitermonde und interplanetare Eis- und Staubpartikel, welche durch das Gravitationsfeld des Jupiters eingefangen werden und schließlich in dessen Atmosphäre eintreten. Allerdings war die Qualität der bisher zur Verfügung stehenden Beobachtungsdaten zu schlecht, um die einzelnen Theorie mit ausreichender Sicherheit bestätigen oder ausschließen zu können.

NASA, ESA, H. Weaver and E. Smith (STScI) and J. Trauger and R. Evans (NASA's Jet Propulsion Laboratory)

Bild vergrößernIm Juli 1994 traten 21 größere Fragmente des Kometen Shoemaker-Levy 9 in die Jupiteratmosphäre ein.
(Bild: NASA, ESA, H. Weaver and E. Smith (STScI) and J. Trauger and R. Evans (NASA's Jet Propulsion Laboratory))
Jetzt konnte jedoch ein Team unter der Leitung von Thibault Cavalié vom Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux/Frankreich nachweisen, dass das in der oberen Jupiteratmosphäre vorhandene Wasser tatsächlich von dem Kometen Shoemaker-Levy 9 stammt.

Für ihre Forschungen nutzten die beteiligten Wissenschaftler die Instrumente HIFI (Heterodyne Instrument for the Far Infrared) und PACS (Photodetector Array Camera and Spectrometer), welche sich an Bord des Infrarot-Weltraumteleskops Herschel befinden und mit denen der Jupiter in den Jahren 2009 und 2010 mehrfach intensiv untersucht wurde. Erst diese Instrumente lieferten aufgrund ihrer hohen Messempfindlichkeit die erforderlichen Daten, um eine hochaufgelöste vertikale und horizontale Kartierung der Wasserverteilung in der oberen Jupiteratmosphäre durchzuführen.

Hierbei stellte sich heraus, dass die chemische Signatur des Wassers auf der südlichen Planetenhemisphäre eine zwei- bis dreimal höhere Konzentration aufweist als auf der nördlichen Planetenhälfte. Die Untersuchungen mit dem Herschel-Weltraumteleskop zeigen außerdem, dass sich der überwiegende Teil des Wassers in Luftschichten konzentriert, welche über einen Druck von weniger als zwei bis drei Millibar verfügen. Gleichzeitig fällt die Wasserkonzentration im Bereich der Regionen am höchsten aus, an denen im Jahr 1994 die Fragmente von Shoemaker-Levy 9 in die Jupiteratmosphäre eintraten.

Eine derartig unsymmetrische Verteilung des Wassergehalts in der Planetenatmosphäre, so die Wissenschaftler, lässt sich nicht mit einem permanent erfolgenden Einfall eishaltiger Staubpartikel erklären, denn dies hätte eine deutlich homogenere Verteilung des Wassers in der gesamten oberen Atmosphäre zur Folge. Vielmehr ist hierfür ein einziges Ereignis, eben der Einschlag der Fragmente von Shoemaker-Levy 9, verantwortlich.

Die Mitarbeiter des von Thibault Cavalié geleiteten Teams gehen davon aus, dass rund 95 Prozent des gegenwärtig in der Stratosphäre des Jupiters befindlichen Wassers von dem Kometen Shoemaker-Levy-9 stammt. Diverse in den Jahren 2009 und 2010 von Amateurastronomen beobachteten Eintritte von deutlich kleineren Objekten in die Jupiteratmosphäre haben dagegen offenbar - genauso wie die trotzdem nicht auszuschließenden Interaktionen mit den Ringen und Monden oder dem Eintritt von interplanetaren Partikeln - keine signifikanten Auswirkungen auf den Wassergehalt der obersten Atmosphärenschicht gehabt.

Calar Alto Observatory, Max-Planck-Institut für Astronomie

Bild vergrößernDiese Aufnahme des 3,5-Meter-Teleskops des Calar-Alto-Observatoriums, erstellt am 20. Juli 1994 im Nah-Infrarotbereich, zeigt den Jupiter nach dem Einschlag der Fragmente des Kometen Shoemaker-Levy 9.
(Bild: Calar Alto Observatory, Max-Planck-Institut für Astronomie)
"Da der Großteil des gegenwärtig in der Jupiter-Stratosphäre befindlichen Wassers zu einem einzigen Zeitpunkt freigesetzt wurde gehen wir davon aus, dass dessen Anteil im Laufe der Jahre langsam zurückgehen wird. Um diese Annahme zu überprüfen beabsichtigen wir, den Jupiter auch zukünftig zu überwachen", so Thibault Cavalié. Hierzu soll zukünftig unter anderem das bereits seit dem Jahr 2001 aktive Weltraumteleskop Odin genutzt werden.

Im Januar 2030, so die aktuellen Planungen, soll die von der ESA betriebene Raumsonde JUICE den Jupiter erreichen und den Planeten anschließend über einen Zeitraum von mehreren Jahren untersuchen. Es wird erwartet, dass sich auch zu diesem Zeitpunkt noch signifikante Mengen an Wasser in der obersten Atmosphärenschicht des Jupiters befinden, welche dann mit den Instrumenten dieser derzeit noch in der Planungsphase befindlichen Raumsonde untersucht werden sollen.

Die hier kurz vorgestellten Ergebnisse von Thibault Cavalié et al. wurden kürzlich unter dem Titel "Spatial distribution of Water in the Stratosphere of Jupiter from Herschel HIFI and PACS Observations" in der Fachzeitschrift "Astronomy & Astrophysics" veröffentlicht.

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