Quelle: NASA, JPL, SWRI, 12. Dezember 2024.

12. Dezember 2024 – Wissenschaftler der NASA-Mission Juno am Jupiter haben entdeckt, dass die Vulkane auf dem Jupitermond Io wahrscheinlich jeweils von einer eigenen Kammer mit heißem Magma gespeist werden und nicht von einem Ozean aus Magma. Diese Entdeckung löst ein 44 Jahre altes Rätsel über die unterirdischen Ursprünge der auffälligsten geologischen Merkmale des Mondes.

Ein Artikel über den Ursprung des Vulkanismus auf Io wurde am Donnerstag, dem 12. Dezember, in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht, und die Ergebnisse sowie weitere wissenschaftliche Erkenntnisse über Io wurden während einer Pressekonferenz in Washington auf der Jahrestagung der American Geophysical Union, der größten Versammlung von Erd- und Weltraumwissenschaftlern des Landes, diskutiert.

Io ist etwa so groß wie der Erdmond und gilt als der vulkanisch aktivste Körper in unserem Sonnensystem. Der Mond beherbergt schätzungsweise 400 Vulkane, die in scheinbar ununterbrochenen Eruptionen Lava und Rauchfahnen ausstoßen, die zur Bedeckung der Mondoberfläche beitragen.

Obwohl der Mond am 8. Januar 1610 von Galileo Galilei entdeckt wurde, wurde vulkanische Aktivität dort erst 1979 entdeckt, als die Bildwissenschaftlerin Linda Morabito vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien zum ersten Mal eine Vulkanfahne auf einem Bild der Raumsonde Voyager 1 der Agentur identifizierte.

„Seit Morabitos Entdeckung haben sich die Planetenforscher gefragt, wie die Vulkane von der Lava unter der Oberfläche gespeist werden“, so Scott Bolton, leitender Forscher von Juno am Southwest Research Institute in San Antonio. „Gab es einen flachen Ozean aus weißglühendem Magma, der die Vulkane speiste, oder war ihre Quelle eher lokal begrenzt? Wir wussten, dass die Daten der beiden sehr nahen Vorbeiflüge von Juno uns Aufschluss über die Funktionsweise dieses geplagten Mondes geben könnten.“

Die Raumsonde Juno flog im Dezember 2023 und im Februar 2024 extrem nah an Io vorbei und kam dabei bis auf etwa 1.500 Kilometer an die Oberfläche des pizzaähnlichen Mondes heran. Während dieser Annäherungen kommunizierte Juno mit dem Deep Space Network der NASA und sammelte hochpräzise Doppler-Daten, die zur Messung der Schwerkraft von Io verwendet wurden, indem man verfolgte, wie diese die Beschleunigung der Sonde beeinflusste. Was die Mission bei diesen Vorbeiflügen über die Schwerkraft des Mondes erfuhr, führte zu der neuen Veröffentlichung, da sie mehr Details über die Auswirkungen eines Phänomens namens Tidal Flexing enthüllte.

Prinz der jovianischen Gezeiten

Io ist dem Riesen Jupiter extrem nahe, und seine elliptische Umlaufbahn lässt ihn alle 42,5 Stunden einmal um den Gasriesen herumschwingen. Mit der Entfernung ändert sich auch die Anziehungskraft des Jupiters, was dazu führt, dass der Mond unaufhörlich gequetscht wird. Das Ergebnis: ein extremer Fall von Gezeitenbiegung – Reibung durch Gezeitenkräfte, die im Inneren Wärme erzeugt.

„Diese ständige Verformung erzeugt immense Energie, die Teile des Inneren von Io buchstäblich zum Schmelzen bringt“, so Bolton. „Wenn Io einen globalen Magma-Ozean hat, wussten wir, dass die Signatur seiner Gezeitenverformung viel größer sein würde als bei einem starren, überwiegend festen Inneren. Abhängig von den Ergebnissen der Juno-Sondierung des Schwerefelds von Io könnten wir also feststellen, ob sich unter der Oberfläche ein globaler Magmaozean verbirgt.“

Das Juno-Team verglich die Doppler-Daten der beiden Vorbeiflüge mit den Beobachtungen früherer Missionen der Agentur zum Jupitersystem und von Bodenteleskopen. Sie fanden Gezeitendeformationen, die darauf schließen lassen, dass es auf Io keinen flachen globalen Magmaozean gibt.

„Die Entdeckung von Juno, dass die Gezeitenkräfte nicht immer einen globalen Magmaozean erzeugen, veranlasst uns nicht nur dazu, unser Wissen über das Innere von Io zu überdenken“, sagte der Hauptautor Ryan Park, ein Juno-Ko-Investigator und Leiter der Solar System Dynamics Group am JPL. „Es hat Auswirkungen auf unser Verständnis anderer Monde, wie Enceladus und Europa, und sogar auf Exoplaneten und Supererden. Unsere neuen Erkenntnisse bieten die Möglichkeit, unser Wissen über die Entstehung und Entwicklung von Planeten zu überdenken.“

Es gibt noch mehr Wissenschaft am Horizont. Am 24. November unternahm die Sonde ihren 66. wissenschaftlichen Vorbeiflug an den geheimnisvollen Wolken des Jupiters. Die nächste Annäherung an den Gasriesen wird am 27. Dezember um 12:22 Uhr EST stattfinden. Zum Zeitpunkt des Vorbeiflugs, wenn Junos Umlaufbahn dem Zentrum des Planeten am nächsten ist, wird sich die Sonde etwa 3.500 Kilometer (2.175 Meilen) über den Wolken des Jupiters befinden und seit ihrem Eintritt in die Umlaufbahn des Gasriesen im Jahr 2016 645,7 Millionen Meilen (1,039 Milliarden Kilometer) zurückgelegt haben.

Mehr über Juno

JPL, eine Abteilung des Caltech in Pasadena, Kalifornien, leitet die Juno-Mission im Auftrag des Hauptforschers Scott Bolton vom Southwest Research Institute in San Antonio. Juno ist Teil des NASA-Programms New Frontiers, das vom Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, für das Science Mission Directorate der Behörde in Washington geleitet wird. Die italienische Raumfahrtbehörde (ASI) hat den Jovian InfraRed Auroral Mapper finanziert. Lockheed Martin Space in Denver baute und betreibt die Sonde. Verschiedene andere Einrichtungen in den USA haben mehrere der anderen wissenschaftlichen Instrumente auf Juno zur Verfügung gestellt.

Weitere Informationen über Juno finden Sie unter: https://science.nasa.gov/mission/juno

Übersetzung: DeepL.com / Stefan Goth

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• Juno – Mission beim Jupiter

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Quelle: AIP 2. November 2022.

2. November 2022 – Während der „Anti-Aging-Effekt“ von heißen Jupitern, d.h. riesigen gasförmigen Exoplaneten, die einen Stern in Merkur-Entfernung oder näher umkreisen, schon früher beobachtet wurde, dokumentieren neue Beobachtungen nun zum ersten Mal den Effekt systematisch und liefern somit den bisher stärksten Nachweis für dieses exotische Phänomen.

„In der Medizin braucht man viele Menschen, die an einer Studie teilnehmen, um zu wissen, ob die Effekte real sind oder eine Art Ausreißer“, sagt Nikoleta Ilic, Doktorandin in der Abteilung Sternphysik und Exoplaneten am AIP und Erstautorin der Studie. „Das gleiche gilt manchmal auch für die Astronomie, und diese Studie gibt uns die Gewissheit, dass diese heißen Jupiter die Sterne, die sie umkreisen, tatsächlich jünger wirken lassen, als sie sind.“

Ein heißer Jupiter kann seinen Wirtsstern durch Gezeitenkräfte beeinflussen, so dass sich der Stern schneller dreht, als wenn er keinen solchen Planeten hätte. Diese schnellere Rotation kann dazu führen, dass der Wirtsstern aktiver wird und mehr Röntgenstrahlung erzeugt, was auf ein jüngeres Alter des Sterns hindeuten kann.

Wie beim Menschen gibt es jedoch viele Faktoren, die die Vitalität eines Sterns bestimmen können. Alle Sterne verlangsamen mit zunehmendem Alter ihre Rotation und Aktivität und erleben weniger Ausbrüche. Da es schwierig ist, das Alter der meisten Sterne genau zu bestimmen, war es für Astronominnen und Astronomen bisher schwierig festzustellen, ob ein Stern ungewöhnlich aktiv ist, weil er von einem nahen Planeten beeinflusst wird, der ihn jünger erscheinen lässt, als er ist, oder weil er tatsächlich jung ist.

Die Forscherinnen gingen dieses Problem an, indem sie Doppelsternsysteme untersuchten, bei denen die Sterne weit voneinander entfernt sind, aber nur einer von ihnen von einem heißen Jupiter umkreist wird. Astronominnen und Astronomen wissen, dass sich die Sterne in den Doppelsternsystemen, genau wie menschliche Zwillinge, gleichzeitig bilden. Der Abstand zwischen den Sternen ist viel zu groß, als dass sie sich gegenseitig beeinflussen könnten oder als dass der heiße Jupiter den anderen Stern beeinflussen könnte. Das bedeutet, dass sie den planetenfreien Stern im System als „Kontrollproband“ verwenden können.

„Es ist fast so, als würde man Zwillinge in einer Studie verwenden, bei der ein Zwilling in einer völlig anderen Umgebung lebt, die sich auf ihre Gesundheit auswirkt“, erklärt Mitautorin Prof. Dr. Katja Poppenhäger, Leiterin der Abteilung Sternphysik und Exoplaneten am AIP. „Indem wir einen Stern mit einem nahegelegenen Planeten mit seinem Zwilling ohne einen solchen vergleichen, können wir die Unterschiede im Verhalten der gleichaltrigen Sterne untersuchen.“

Das Team beobachtete die von den Sternen ausgesandte Röntgenstrahlung mit den Weltraumteleskopen Chandra und XMM-Newton, um zu bestimmen, wie „jung“ ein Stern ist. Sie suchten nach Anzeichen für den Einfluss ihrer Planeten auf die Sterne, indem sie fast drei Dutzend Systeme im Röntgenlicht studierten. Sie fanden heraus, dass die Sterne mit heißen Jupitern tendenziell heller im Röntgenlicht und damit aktiver waren als ihre Begleitsterne ohne heiße Jupiter.

„In früheren Fällen gab es einige sehr faszinierende Hinweise, aber jetzt haben wir endlich den statistischen Beweis, dass einige Planeten tatsächlich ihre Sterne beeinflussen und sie jung halten“, so Mitautorin Marzieh Hosseini, ebenfalls AIP-Forscherin. „Wir hoffen, dass künftige Studien dazu beitragen werden, mehr Systeme zu entdecken, um diesen Effekt besser zu verstehen.“

Originalveröffentlichung
Tidal star–planet interaction and its observed impact on stellar activity in planet-hosting wide binary systems. N. Ilic, K. Poppenhaeger, S. Marzieh Hosseini, 2022, MNRAS, 513, 3, 4380, doi.org/10.1093/mnras/stac861, https://academic.oup.com/mnras/article/513/3/4380/6564186, https://arxiv.org/abs/2203.13637, pdf: https://arxiv.org/pdf/2203.13637.

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• Exoplaneten

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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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• Jupitermond Europa
• Jupitermonde

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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.

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