Ein Beitrag von Michael Clormann. Quelle: NASA, Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.

Der Jupitermond Europa gehört, nimmt man die bewegte Geschichte seiner Erforschung als Anhaltspunkt, zu den vielleicht interessantesten Himmelskörpern in unserem Sonnensystem. Von Galileo Galilei im Jahr 1610 in einer Zeit fundamentaler astronomischer Kontroversen entdeckt, faszinierte seine Existenz und Beschaffenheit in der Folgezeit Generationen neuzeitlicher Naturforscher und Astronomen. Auch heute noch ist er Objekt großen Interesses von wissenschaftlicher Seite, da er als potentieller Hort außerirdischen Lebens in unserem Sonnensystem gilt.
Mit einem Durchmesser von gut 3.100 Kilometern, etwas weniger als der Erdmond mit fast 3.500 Kilometern, ist Europa der viertgrößte Trabant des Jupiter. Er umläuft den Gasgiganten mit einem Bahnradius von nur etwa 670.000 Kilometern, also einer verhältnismäßig zu dessen Größe und Masse viel geringeren Entfernung als unser eigener kosmischer Begleiter die Erde. Entsprechend höher ist die Orbitalgeschwindigkeit des Galileischen Monds und geringer seine Umlaufzeit um seinen Planeten. Insgesamt ist Europa unter dieses Bedingungen relativ starken Gezeitenkräften ausgesetzt.

Letztere sollen die Erklärung für ein Phänomen bereitstellen, das mit Hilfe von Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops vor ziemlich genau einem Jahr erstmals visualisiert werden konnte: Wasserdampf, oder vielmehr dessen ionisierte und im ultravioletten Spektralbereich strahlende Bestandteile, etliche Kilometer über der südlichen Polregion des Monds. Eine vorwiegend US-amerikanische Forschergruppe vermutet in einem diese Woche veröffentlichen Artikel den Ursprung des Materials in flüchtigen Fontänen aus Wasserdampf, welche durch Risse im Oberflächeneis Europas aus dem darunterliegenden Ozean aufsteigen, dabei aber kaum direkt sichtbar werden. Durch die geringe Schwerkraft des Himmelskörpers ist es dem ausgetretenen Wasser demnach jedoch möglich bis in etwa 200 Kilometer Höhe aufzusteigen, um dort unter dem Einfluss des starken Jupiter-Magnetfelds, für das erdnahe Teleskop Hubble gerade noch detektierbar, ionisiert zu werden. Ähnliche Säulen aufsteigenden Dampfs und anderen Materials waren bisher nur auf dem Saturnmond Enceladus bekannt, seit die NASA-Sonde Cassini sie im Jahr 2005 aus einer Umlaufbahn um den Planeten erspäht hatte. Dort, wie auch auf Europa, sind die Ausgasungen insofern für die Wissenschaft besonders interessant, als sie einen unmittelbaren Einblick in die Zusammensetzung der unter den beiden Mondoberflächen befindlichen Ozeane ermöglichen, in denen mögliches Leben vermutet wird. Fast zeitgleich mit der Präsentation dieser Forschungsergebnisse, konnten vor wenigen Tagen auch auf anderem Gebiet Neuigkeiten über die Beschaffenheit des Jupitermonds vermeldet werden. Sie scheinen für die Frage relevant zu sein, wie organische Stoffe als Bausteine einfachen Lebens in der Vergangenheit auf Europa gelangt sein könnten.

Neue Analysen von Messungen der 1989 gestarteten Galileo-Mission deuten darauf hin, dass auf der Oberfläche des Himmelskörpers auszumachende, charakteristisch ringförmige Formationen aus tonartigen Mineralen das Produkt eines vergangenen Meteoriteneinschlags sind. Ein Gesteins- oder Eisball mit einem Durchmesser zwischen 1.100 und 1.700 Metern, auftreffend unter einem relativ flachen Winkel, könnte eine solche Formung der Oberfläche Europas bewirkt haben. Dabei ist gerade von jenen Meteoriten, die Material ähnlich der 1998 von Galileo erfassten Zusammensetzung mit sich führen, auch bekannt, dass sie oftmals auch Spuren organischer Verbindungen enthalten. Sie könnten so auf den Jupitertrabanten gelangt sein, Zuletzt war unter anderem im Jahr 2011, ebenfalls mit Datenmaterial des Galileo-Orbiters, die, wie sich herausstellte immense, Größe des Wasservorrats unter der dicken Eisschicht Europas Gegenstand von Untersuchungen. Im Zuge dessen zeigte sich damals auch, dass der eigentlich vollständig zugefrorene Ozean über verschiedene geologische Mechanismen dennoch in einem regen Stoffaustausch mit der Oberfläche steht. Er wird durch die Kernwärme des Monds und die Reibung der Gezeitenbewegung stetig auf Temperaturen oberhalb des Gefrierpunkts gehalten und schmilzt durch Konvektion der unterschiedlich warmen Wasserschichten ständig die untere Fläche der ihn bedeckenden Eisschicht an. Sollte zukünftig tatsächlich Leben auf dem viertgrößten Mond des Jupiter nachgewiesen werden könne, stellen diese jüngsten Entdeckungen eine mögliche Erklärung für die Herkunft und den Transport des Ausgangsmaterials für dessen Entstehung dar. Eine baldige Gelegenheit zur weiteren Forschung in dieser Richtung wird sich zum Beispiel im Rahmen der JUICE-Mission der Europäischen Weltraumorganisation bieten. Sie soll noch Anfang der 2020er Jahre Richtung Jupiter starten, um den Wissenstand über die Galileischen Monde durch Erweiterung der verfügbaren Datenbasis voranzubringen.

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Der Beitrag Europas Geheimnisse erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: NASA/JPL.

Gleich zwei neue Studien in der Mai-Ausgabe von „Nature“ über den zweitfaszinierendsten Saturnmond befassen sich mit den „Tigerstreifen“, um die 120 Kilometer langen Eisspalten in Enceladus´ Südpolregion, und den von ihnen ausgehenden Geysiren. Der Mond selbst hat einen Durchmesser von nur ungefähr 500 Kilometern.
Gravitations-Gezeiten öffnen und schließen Eisspalten

Ein Team vom Goddard-Raumfahrtzentrum der NASA in Greenbelt unter der Leitung von Dr. Terry Hurford untersuchte den Einfluss der Saturn-Gravitation auf die Tigerstreifen. Jeder Umlauf von Enceladus um Saturn dauert 1,3 Erd-Tage – also wesentlich kürzer als ein Umlauf des Erdmonds um die Erde. Zu jedem Zeitpunkt während dieses Umlaufs erfährt Enceladus eine Gravitationstide. Damit gemeint ist eine Verformung des Mondes aufgrund der Tatsache, dass er ja nicht punktförmig ist, sondern eine räumliche Ausdehnung besitzt, und seine saturnnahen Partien somit stärker angezogen werden als die saturnfernen. Da Enceladus einen exzentrischen Orbit um Saturn beschreibt, wirkt die Schwerkraft höher und fällt die Gravitationstide stärker aus, wenn Enceladus dem Saturn nahe ist, und umgekehrt. Obwohl Enceladus gebunden um Saturn rotiert, ihm also immer die selbe Seite zuwendet, ändert sich zudem Saturns Position in Enceladus´ Himmel leicht, so dass sich auch die Position der Tide mit jedem Umlauf auf einer östlich-westlichen Achse hin und her bewegt. Diese zwei Effekte führen in Kombination zu wechselnden Spannungen in Enceladus´ eisiger Oberfläche.

Das Team entwickelte ein Computermodell, um zu berechnen, wie sich diese Spannungen auf die Tigerstreifen auswirken. „Wir haben herausgefunden, dass sich die meisten Tigerstreifen aufgrund ihrer Lage und Orientierung dann am weitesten öffnen, wenn sich Enceladus am weitesten von Saturn entfernt. Umgekehrt schließen sich die meisten Streifen dann am weitesten, wenn der Mond in maximale Nähe zu Saturn kommt“, sagte Hurford. „Verschiedene Streifen öffnen sich zu verschiedenen Zeiten während eines Umlaufs. Unter der Annahme, dass die Eruptionen dann stattfinden, wenn die Streifen weit offen stehen, können wir vorhersagen, welche Streifen wann eruptieren. Da sich die meisten Streifen im weitesten Abstand von Saturn auch maximal öffnen, erwarten wir die maximale Eruptionsaktivität natürlich zu diesem Zeitpunkt.“

Es war allerdings schwierig, das Modell aufgrund der vorliegenden Daten zu testen, wiederum wegen der Lage der Tigerstreifen. Cassini sah die Eruptionen am Horizont von Enceladus, also mehr oder weniger im 90-Grad-Winkel, im Gegenlicht der Sonne. Aus dieser Perspektive war kaum festzustellen, welche Eruption von welchem Tigerstreifen kam. Künftige Überflüge von Cassini aus günstigerer Perspektive könnten es erlauben, Eruptionen aus verschiedenen Streifen voneinander zu unterscheiden.

Reibungswärme erzeugt Dampffahnen
Die zweite Studie in „Nature“ befasste sich mit den aus den „Tigerstreifen“ austretenden Geysiren. Die Bewegungen der Bruchlinien lassen die Ränder der Spalten gegeneinander reiben. Dabei wird genug Wärme frei, um etwas Eis in Fahnen aus Wasserdampf und Eiskristallen zu verwandeln, behaupten die Autoren der Studie.

Francis Nimmo, Dozent an der Universität von Kalifornien, und seine Co-Autoren berechneten die fragliche Wärmemenge und kamen zu dem Schluss, dass dies die wahrscheinlichste Erklärung für die Dampffahnen und andere Erscheinungen ist, die in der Südpolregion von Enceladus beobachtet wurden. Diese Region ist auch wärmer als die restliche Oberfläche, wie Cassini bereits vor einiger Zeit mit einem Instrument messen konnte.

„Wir nehmen an, dass die Tigerstreifen die Quelle der Fahnen sind, und versuchen vorauszusagen, wo die Tigerstreifen am wärmsten sind. Diese Voraussagen können bei zukünftigen Gelegenheiten getestet werden“, sagte Nimmo.

Angetrieben wird der gesamte Prozess, wie erwähnt, von dem exzentrischen Orbit des Mondes um Saturn, der ihn mal in die Nähe des Riesenplaneten bringt und dann wieder weiter weg, so dass die Schwerkraft periodisch schwankt. „In seinem Orbit um Saturn wird der Mond immer abwechselnd gestaucht und gestreckt, und diese Gezeitenkräfte verursachen wiederum ständige Reibung in den Spalten“, erklärte Nimmo.

Co-Autor Robert Pappalardo vom JPL der NASA weist darauf hin, dass dieser Mechanismus im Gegensatz zu anderen Thesen über die Dampffahnen kein flüssiges Wasser direkt unter der Oberfläche voraussetzt. „Die Wärme genügt, um das Eis sublimieren zu lassen, wie in einem Kometen – das Eis geht sofort in Dampf über, und dieser ins All austretende Dampf reißt Eispartikel mit sich“, sagte er.

Dennoch geht auch diese Studie davon aus, dass Enceladus über einen flüssigen Ozean unterhalb der Eiskruste verfügt. Denn dies erlaubt der Eiskruste überhaupt erst, sich genug zu verformen, um die nötige Bewegung in den Spalten zu erzeugen. Wenn das Eis bis auf das felsige Innere des Mondes gefroren wäre, würden die Gezeitenkräfte nicht genug Bewegung erzeugen, um Wärme freizusetzen, betonte Nimmo.

Dieser Reibungs- oder auch Scherungswärme-Mechanismus ist konsistent mit einer früheren Studie von Nimmo und Pappalardo, die vorschlug, dass sich vor einiger Zeit Enceladus´ Rotationsachse geändert hat mit dem Ergebnis, dass sein „heißer Fleck“ am Südpol zu liegen kam. In dieser Studie (Raumfahrer.net berichtete) begründeten die Forscher die Reorientierung von Enceladus mit der geringeren Dichte des Krusteneises in dieser wärmeren Region.
In ihrer neuen Studie schätzen sie die Dicke des Eises auf mindestens 5 Kilometer, wahrscheinlich aber eher mehrere Dutzend Kilometer. Die Hin-und-Her-Bewegung der Bruchlinien während einer Gezeitenperiode (also während eines Saturnumlaufs von Enceladus) schätzen sie auf einen halben Meter.

Der Beitrag Saturns Gravitation verursacht Enceladus´ Geysire erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Karl Urban

Bereits seit den ersten Beobachtungen von Cassini spekulierten Forscher über die Ursache der geologischen Aktivität auf Enceladus. Der Mond besitzt etliche Geysire, die Material aus dem Innern in die Höhe schießen und die in der Südpolregion konzentriert liegen. Sie sind vermutlich das Resultat eines Hot Spots, also einer Region im Innern des Mondes, in der heißes Material an die Oberfläche transportiert wird. Warum der Hot Spot gerade am Südpol auftritt, war zunächst ein Rätsel. Das amerikanische Wissenschaftlerteam schlägt die Vermutung vor, dass Enceladus einen roll over hinter sich hat, der Mond also eine extreme Veränderung seiner Rotationsachse durchgemacht hat.

Alle sich drehenden astronomischen Körper, wie Planeten und Monde, versuchen sich so zu orientieren, dass sich die massereichsten Regionen möglichst nah am Äquator befinden, da in diesem Zustand ihre Eigenrotation am stabilsten ist. Auch eine geworfene Bowling-Kugel wird die Eigenrotation im Flug so verändern, dass sich die Löcher (d.h. der Bereich mit der geringsten Dichte der Kugel) an der Rotationsachse, also den „Polen“ der Bowlingkugel, befinden.

Etwas Ähnliches passierte auf Enceladus: Es kam zu einer Erwärmung im Mondinnern, was die Dichte der erhitzten Region verringerte und so zum Aufstieg des Materials führte. Dadurch geriet die Rotation des Trabanten ins Ungleichgewicht, was er dadurch ausglich, dass er seine Rotationsachse kurzerhand in die Region mit der geringeren Dichte verlegte. Das Forscherteam berechnete, dass ein solches Ereignis die Rotationsachse von Enceladus um bis zu 30 Grad verschoben haben könnte.

Damit ist jedoch leider noch nicht geklärt, wie es zu einer einseitigen inneren Erwärmung des Mondes kommen konnte. Eine mögliche Erklärung könnte die sehr exzentrische Umlaufbahn um den massereichen Gasriesen Saturn sein, die zu sehr starken und ständig wechselnden Gezeitenkräften auf Enceladus führt und dabei auch geologische Prozesse in Gang setzt. Damit ließen sich auch andere auffällige Oberflächenmerkmale auf dem Mond erklären, neben den Geysiren z.B. die sogenannten tiger stripes, langgezogene Verwerfungslinien, die auf tektonische Belastungen hindeuten.

Aktuelle Bilder

Eine neue Aufnahme von Cassini zeigt passend zu den jüngsten Ergebnissen erneut die Fontänen, welche die Südpolgeysire von Enceladus in die Höhe schleudern. Hier ist der im Durchmesser 505 Kilometer große Mond vor der Nachtseite des Saturn zu sehen. Um die Fontänen sichtbar zu machen wurde außerdem eine lange Belichtungszeit gewählt, so dass die Nachtseite des Saturns im Hintergrund dennoch hell erscheint. Die Aufnahme wurde am 4. Mai 2006 in einem Abstand von 1,3 Millionen Kilometern von Enceladus und 2,3 Millionen Kilometern vom Saturn gemacht.

Eine auf den ersten Blick unscheinbare Aufnahme zeigt die Wolkendecke des Gasriesen. Trotz des geringen Kontrasts erkennbar ist jedoch eine Wirbelstruktur auf der rechten Seite – ein aufziehendes Sturmsystem. Das Bild wurde mit einem Spektralfilter aufgenommen, der auf Infrarotstrahlung um 938 Nanometer reagiert und damit Wolkenstrukturen sichtbar macht. Die Aufnahme vom 8. Mai 2006 wurde aus einer Entfernung von 2,8 Millionen Kilometern vom Saturn gemacht und hat eine Auflösung von 17 Kilometern pro Pixel.

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