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Der kalte Mond und das Meer

25.06.2009
Wissenschaftler finden in den Vulkanfontänen von Enceladus im Saturnsystem salzhaltige Eispartikel

Die Vulkane des Saturnmonds Enceladus stoßen stark salzhaltige Eispartikel aus - sehr wahrscheinlich gefrorene Meerwassertröpfchen. Unter der Eiskruste von Enceladus muss es also einen Ozean geben, der mit Fels in Kontakt steht. Das zeigen Messungen mit dem Staubanalysator CDA des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg an Bord der Raumsonde Cassini. Experimente von Forschern des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen und von der Universität Göttingen leisteten einen wichtigen Beitrag zur Interpretation der Daten. (Nature, 25. Juni 2009)


Einer Sonneneruption gleichen diese Fontänen aus Dampf und Eispartikeln, die der Saturnmond Enceladus in den Weltraum bläst. Unter den Eispartikeln finden sich auch stark salzhaltige - sehr wahrscheinlich gefrorene Meerwassertröpfchen. Unter der Eiskruste von Enceladus gibt es demnach einen Ozean, der in Kontakt mit Fels steht. Bild: NASA/JPL/Space Science Institute


Modell des Ozeans auf dem Saturnmond Enceladus: Minerale aus dem Gestein werden im Wasser gelöst (unten), versprühte Tröpfchen gefrieren sofort (Mitte), werden während der Passage durch den Spalt in der Eiskruste von zusätzlich anfrierendem Wasserdampf umhüllt und dann als Staubteilchen ausgestoßen (oben). Bild: Max-Planck-Institut für Kernphysik

Mit rund 500 Kilometer Durchmesser gehört Enceladus zu den eher kleinen Trabanten des Saturn. Dennoch rückte der Eismond in den vergangenen Jahren in den Brennpunkt der Planetenforschung - als möglicher Hort des Lebens: Mehrere Vorbeiflüge der NASA/ESA-Raumsonde Cassini brachten die Wissenschaftler auf die Spur organischer Verbindungen. Und es gab Hinweise auf flüssiges Wasser, die allerdings heftig umstritten waren.

Enceladus ist sehr aktiv. Denn Saturns Anziehungskraft knetet den Himmelskörper durch, ähnlich wie Sonne und Mond auf der Erde die Gezeiten verursachen. Aber welche Vorgänge genau dazu führen, dass in der Gegend von Enceladus` Südpol Eisvulkane aktiv sind, ist noch nicht geklärt. Die Vulkane stoßen Fontänen von Wasserdampf und Eispartikeln aus und speisen damit den diffusen äußeren E-Ring um Saturn.

Nun haben Forscher die weniger als einen Mikrometer (tausendstel Millimeter) großen Eispartikel im Ring genauer unter die Lupe genommen. Dazu nutzten sie die Fähigkeit des Cosmic Dust Analyzers (CDA) an Bord der Raumsonde Cassini, nicht nur Einschläge von Staubkörnchen zu zählen, sondern auch einzelne Teilchen chemisch zu analysieren. Prallen solche Partikel auf ein metallisches Target, zerstieben sie in einer Gaswolke. Darin enthaltene Ionen, also geladene Teilchen, werden in einem elektrischen Feld beschleunigt. Und aus der Flugzeit der Ionen bis zu einem Detektor lässt sich ihre Masse ableiten.

Bisher hatten die Wissenschaftler reine Eispartikel und solche mit Einschlüssen aus organischen Verbindungen oder Silikaten identifiziert. Jetzt fanden sie eine dritte Sorte: Teilchen, die bis zu zwei Prozent Natriumsalze enthalten, insbesondere Kochsalz und Natriumcarbonat nebst Spuren von Kaliumsalzen.

"Deuteten unsere früheren Ergebnisse bereits auf Wasser hin, das aber inzwischen gefroren sein könnte, so beweisen die nun gefundenen Natriumsalze, dass flüssiges Wasser auf Enceladus derzeit vorhanden sein muss", sagt Frank Postberg vom Max-Planck-Institut für Kernphysik. Denn beim langsamen Gefrieren von Meerwasser bleibt das Salz - im Gegensatz zu vielen organischen Verbindungen und Silikat - im Wasser, und das Eis ist praktisch salzfrei.

Zur richtigen Interpretation der Messergebnisse haben wesentlich die Göttinger Wissenschaftler beigetragen. Denn die Eisteilchen im Saturnring offenbarten eine zunächst überraschende Vielfalt an Natriumverbindungen: Teilchen mit geringer Natriumkonzentration zeigten von Wassermolekülen umgebene Natriumionen, Teilchen mit hoher Natriumkonzentration Verbindungen mit Hydroxid, Chlorid und Karbonat. Wie dieser Unterschied zustande kommt, war zunächst völlig unklar.

"In unseren Experimenten mit Wasser und Natrium haben wir im Labor die Vorgänge am Saturn seit Jahren nachgestellt - ohne es zu wissen", sagt Udo Buck vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. Denn eigentlich erforschte der Wissenschaftler bisher die grundlegenden Prinzipien der Clusterphysik. Dafür beschoss er im Vakuum einzelne Wassercluster - mikroskopische Klumpen aus wenigen Wassermolekülen - mit Natriumatomen. Die Verbindungen, die dabei entstanden, konnte Buck genau untersuchen.

Zusammen mit Forschern der Universität Göttingen simulierten die Wissenschaftler die Bedingungen auf Enceladus. Mit einem Laser zerstäubten sie einen Wasserstrahl, der verschiedene Konzentrationen von Natriumchlorid und Natriumcarbonat enthielt. "Der Wasserstrahl übernimmt dabei die Rolle des Ozeans, der Laser simuliert die Ladungstrennung beim Einschlag auf den Detektor", erläutert Buck. Bei ungefähr je einem Prozent Natriumchlorid und Natriumcarbonat stimmten die Ergebnisse der Laborexperimente mit denen des CDA auf der Raumsonde Cassini perfekt überein. Modellrechnungen der Arizona State University für einen Ozean zwischen der Eiskruste und dem felsigen Kern des Enceladus ergaben sehr ähnliche Konzentrationen.

"Vermutlich versprühen aufsteigende Gasblasen unter einem Vulkanschlot Salzwassertröpfchen, die gefrieren, während sie durch den Kanal an die Oberfläche transportiert werden", sagt Frank Postberg. Diese Eispartikel stammten aus einem Reservoir, das in Kontakt mit dem Ozean zwischen Eiskruste und Gesteinskern steht, und enthielten deshalb viel Natrium. Andere Partikel entstünden aus dem Wasserdampf oberhalb des Reservoirs und seien arm an Salzen. Postberg: "Einzelne Eisvulkane sind jahrelang aktiv und stoßen so viel Dampf aus, dass wir die Wasseroberfläche unter einem großen Dampfreservoir in einer Höhle mit kaminartigem Schlot annehmen müssen."

Originalveröffentlichung:

F. Postberg, S. Kempf, J. Schmidt, N. Brillantov, A. Beinsen, B. Abel, U. Buck, R. Srama
Sodium Salts in E Ring Ice Grains from an Ocean below Enceladus’ Surface
Nature, 25. Juni 2009
Weitere Informationen erhalten Sie von:
Dr. Gertrud Hönes, Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
Tel.: +49 6221 516-572
E-Mail: info@mpi-hd.mpg.de
Dr. Frank Postberg
Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
Tel.: +49 6221 516-543
E-Mail: frank.postberg@mpi-hd.mpg.de
Dr. Birgit Krummheuer, Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen
Tel.: +49 551 5176-668
E-Mail: birgit.krummheuer@ds.mpg.de
Prof. Dr. Udo Buck
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen
Tel.: +49 551 5176-572
E-Mail: ubuck@gwdg.de

Dr. Felicitas von Aretin | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

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