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Rätsel der hellen Flecken auf Ceres gelöst

10.12.2015

Die Raumsonde Dawn beobachtet auf der Oberfläche des Zwergplaneten verdampfendes Wasser und getrocknete Mineralsalze

Über dem hellsten Fleck auf der Oberfläche des Zwergplaneten Ceres im Occator-Krater liegt bei Sonneneinstrahlung ein dünner Nebel. Das belegen Aufnahmen des Kamerasystems an Bord der NASA-Raumsonde Dawn, die Forscher unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung jetzt veröffentlich haben. Der Nebel deutet darauf hin, dass dort nahe der Oberfläche gefrorenes Wasser existiert, welches durch Öffnungen emporsteigt. Ein weiterer Bestandteil der hellen Flecken im Occator-Krater sind hydrierte Magnesiumsulfate, eine Klasse von Mineralsalzen. Viele der anderen hellen Bereiche auf der Ceres-Oberfläche bestehen wahrscheinlich inzwischen ausschließlich aus ausgetrockneten Mineralsalzen. Die neuen Ergebnisse zeigen, dass gefrorenes Wasser seit der Geburtsstunde des Sonnensystems nicht nur in dessen entlegenen Ecken überdauern konnte, sondern auch im vergleichsweise nahen Asteroidengürtel.


Mosaik der Oberfläche: Die meisten der 130 hellen Flecken (hier rot markiert) auf dem Zwergplaneten Ceres stehen in Zusammenhang mit Kratern, wie diese Aufnahme zeigt. Drei Zooms ermöglichen einen näheren Blick auf diese Gebiete. Oben links: Über dem Occator-Krater zeigt sich bei Sonneneinstrahlung eine Art Nebel. Der Krater könnte deshalb gefrorenes Wasser enthalten. Oben rechts: Der Oxo-Krater ist die zweithellste Struktur auf Ceres; auch hier tritt eine Art Nebel auf. Unten: Ein typischer wasserloser Krater. Die helle Färbung rührt unter anderem von Mineralsalzen her, die wahrscheinlich im Laufe der Zeit ausgetrocknet sind.

© NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA


In Falschfarben: Diese Darstellung des Occator-Kraters zeigt deutlich Unterschiede in der Oberflächenzusammensetzung. Rot entspricht dem Wellenlängenbereich um 0,97 Mikrometer (nahes Infrarot), Grün dem Wellenlängenbereich um 0,75 Mikrometer (rotes, sichtbares Licht) und Blau dem Wellenlängenbereich um 0,44 Mikrometer (blaues, sichtbares Licht). Die Aufnahmen wurden mithilfe des Kamerasystems an Bord der NASA-Raumsonde Dawn aus einer Entfernung von 4425 Kilometern gewonnen.

© NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

Eine unsichtbare Grenze verläuft zwischen den steinigen Planeten des inneren Sonnensystems und den Gasriesen weiter außen. Vor etwa 4,5 Milliarden Jahren verdampften Wasser und andere leichtflüchtige Stoffe aus der Nachbarschaft der Sonne und ließen die inneren Planeten Merkur, Venus, Erde und Mars als steinige, trockene Welten zurück. Nur fern der Sonne konnten sich diese Stoffe halten. In den Gasplaneten und ihren Eismonden existieren sie bis heute. Auch das irdische Wasser ist ein späterer Zuwanderer aus dieser entlegenen Region.

Doch wo genau verläuft diese „Eislinie“ heute und wo lag sie früher? Wo im Sonnensystem konnte gefrorenes Wasser überdauern? Antworten auf diese Fragen sucht die NASA-Raumsonde Dawn im Asteroidengürtel – einer Region zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter, die von unzähligen kleineren und größeren Brocken bevölkert ist. Schon Anfang des Jahres in der Anflugphase auf Ceres beflügelten helle Flecken auf der Oberfläche des mit einem Durchmesser von 950 Kilometern größten Bewohners des Asteroidengürtels die Phantasie von Wissenschaftlern und Laien.

Handelte es sich um freiliegendes Eis? Oder waren es Salze, die den hellen Flecken ihre hohe Reflektivität verliehen? „Wir sehen aktuell wahrscheinlich Überreste eines Verdunstungsprozesses, der an verschiedenen Stellen unterschiedlich weit fortgeschritten ist. Möglicherweise handelt es sich dabei um das Endstadium einer vormals noch aktiveren Periode“, sagt Andreas Nathues vom Göttinger Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, wissenschaftlicher Leiter des Kamerateams und Erstautor der jetzt in der Fachzeitschrift Nature erschienenen Studie.

Das Licht, das die insgesamt mehr als 130 hellen Flecken ins All reflektieren, unterscheidet sich deutlich von dem aus anderen Regionen. So enthält es etwa einen größeren Blauanteil. Das zeigen Auswertungen der Kameradaten, die mithilfe unterschiedlicher Farbfilter aufgenommen wurden. „Vergleiche mit verschiedensten Materialien, die wir im Labor untersucht haben, deuten darauf hin, dass sich dort auch hydrierte Magnesiumsulfate finden“, erklärt Zweitautor Martin Hoffmann, ebenfalls Wissenschaftler am Max-Planck-Institut. Solche Minerale kommen auch auf der Erde vor – nicht selten am Rande von Salzseen.

Der Occator-Krater sticht zusätzlich hervor. Der zentrale Fleck im innersten Teil des Kraters ist deutlich heller als anderen hellen Bereiche auf der Oberfläche. Er liegt in einer Art „Krater im Krater“ mit einem Durchmesser von etwa zehn Kilometern und einer Tiefe von einem halben Kilometer. „Auf einigen unserer Aufnahmen lässt sich zudem ein Schleier über dem Kraterboden erkennen“, sagt Nathues.

Der Dunst tritt in einem täglichen Rhythmus immer dann auf, wenn Sonnenlicht den Kraterboden erreicht. „Offenbar verdampft dort Wasser und trägt kleine Teilchen mit sich“, so der Forscher weiter. Der Prozess erinnere an das Ausgasen von Kometen, verlaufe aber zurzeit eher beschaulich und nicht-eruptiv: „Es ist eher eine Art langsames Ausdünsten.“

Hinweise auf gefrorenes Wasser auf Ceres gab es seit langem. So ist etwa die Dichte des kugelförmigen Körpers für ein rein steinig-metallisches Innenleben zu niedrig. Anfang vergangenen Jahres entdeckten Forscher um Michael Küppers von der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA) mit dem Weltraumteleskop Herschel Wasserdampf in der Umgebung von Ceres. Anders als bei den neuen Messungen zeigte sich das Gas jedoch nicht räumlich aufgelöst, sondern nur als Absorptionslinie in einem Spektrum.

Dawn erlaubt nun einen genaueren Blick auf Ceres. Die jetzt veröffentlichten Messungen entstanden zum Teil aus einer Entfernung von etwa 1470 Kilometern – in kosmischen Maßstäben ein Katzensprung. „Ceres’ Salze treten an der Oberfläche stark lokalisiert auf“, sagt Martin Hoffmann. Fast alle Fundorte liegen in oder in der Nähe von größeren und kleineren Kratern. Der eishaltige Occator-Krater ist dabei ein besonders junges Exemplar. Der scharfkantige Kraterrand und die wenigen Einschläge am Boden des Kraters legen nahe, dass er vor etwa 78 Millionen Jahren entstanden ist.

Auch die zweithellste Struktur auf der Ceres-Oberfläche, der Oxo-Krater, der vor wenigen Wochen noch nicht benannt war und in der Studie deshalb als „Feature A“ bezeichnet wird, ist vergleichsweise jung und könnte ebenfalls Eis enthalten.

„Die plausibelste Interpretation unsere Ergebnisse ist, dass sich unter der Oberfläche von Ceres zumindest stellweise eine Mischung aus Eis und Salzen erstreckt“, sagt Andreas Nathues. Einschläge mittelgroßer Asteroiden können dieses Material freilegen. Das Eis verdampft nach und nach, bis das Salz und Schichtsilikate aus der Umgebung zurückbleiben.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass sich unterirdisches Eis auch im vergleichsweise sonnennahen Asteroidengürtel halten konnte“, so Nathues. „Die oberflächliche Gesteinsschicht schützt es vor dem Einfluss der Sonne.“ Nur etwa 414 Millionen Kilometer trennen den Zwergplaneten Ceres von unserem Zentralgestirn. Der Jupiter mit seinen Wasser spuckenden Eismonden befindet sich fast doppelt so weit entfernt; die wasserreichen Kometen verbringen den Großteil ihres Daseins noch weiter draußen am Rande des Sonnensystems.

Möglicherweise ist Ceres aber nicht das einzige größere sonnennahe Eisreservoir im Planetensystem. Spektrale Beobachtungen des großen Asteroiden Pallas, der in einer vergleichbaren Entfernung wie Ceres um die Sonne kreist, legen nahe, dass die Oberflächen beider Körper ähnlich zusammengesetzt sind.

Die Raumsonde Dawn startete im September 2007 auf ihre Reise in den Asteroidengürtel, der zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter liegt. 2011 erreichte sie den Asteroiden Vesta; mehr als ein Jahr lang begleitete die Sonde den Körper. Am 6. März 2015 schwenkte Dawn in einen Orbit um den Zwergplaneten Ceres ein und dringt seitdem Schritt für Schritt in immer niedrigere Umlaufbahnen vor. Der niedrigste Orbit wird voraussichtlich Mitte Dezember erreicht und danach mindestens bis Juni nächsten Jahres beibehalten. Nur 375 Kilometer werden Dawn dann von der Ceres-Oberfläche trennen.

Die Mission wird vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) der amerikanischen Weltraumbehörde NASA geleitet. JPL ist eine Abteilung des California Institute of Technology in Pasadena. Die University of California in Los Angeles zeichnet für den wissenschaftlichen Teil des Projekts verantwortlich. Das Kamerasystem an Bord der Raumsonde wurde unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung in Göttingen in Zusammenarbeit mit dem Institut für Planetenforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin und dem Institut für Datentechnik und Kommunikationsnetze in Braunschweig entwickelt und gebaut. Das Kameraprojekt wird finanziell von der Max-Planck-Gesellschaft, dem DLR und NASA/JPL unterstützt.


Ansprechpartner

Dr. Andreas Nathues
Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, Göttingen
Telefon: +49 551 384979-433

E-Mail: nathues@mps.mpg.de


Dr. Martin Hoffmann
Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, Göttingen
Telefon: +49 551 384979-308

E-Mail: Hoffmann@mps.mpg.de


Dr. Birgit Krummheuer
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit

Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, Göttingen
Telefon: +49 551 384979-462

E-Mail: krummheuer@mps.mpg.de


Originalpublikation
Andreas Nathues et al.

Sublimation in bright spots on (1) Ceres

Nature, 9. Dezember 2015

Dr. Andreas Nathues | Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, Göttingen
Weitere Informationen:
https://www.mpg.de/9783231/dawn-ceres-flecken

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