Eisige Ozeane gibt es auf weit entfernten Monden. Warum sind sie nicht fest gefroren? | Quanta-Magazin

Für den größten Teil der Menschheitsgeschichte war die Erde die einzige bekannte, vom Ozean umgebene Welt, scheinbar anders als jede andere kosmische Insel.

Doch 1979 flogen die beiden Voyager-Raumschiffe der NASA am Jupiter vorbei. Sein Mond Europa, ein gefrorenes Reich, war mit Rillen und Brüchen verziert – Hinweise darauf, dass sich unter seiner Oberfläche etwas Dynamisches befinden könnte.

„Nach der Voyager vermuteten die Leute, dass Europa seltsam sei und einen Ozean haben könnte“, sagte er Franz Nimmo, ein Planetenwissenschaftler an der University of California in Santa Cruz.

Dann, im Jahr 1996, passierte die NASA-Raumsonde Galileo Europa und entdeckte ein seltsames Magnetfeld, das von innen kam. „Wir haben nicht verstanden, was es war“, sagte er Margaret Kivelson, ein Weltraumphysiker an der University of California in Los Angeles, der für das Magnetometer der Raumsonde verantwortlich war. Schließlich stellten sie und ihr Team fest, dass eine elektrisch leitende Flüssigkeit – etwas im Inneren des Mondes – als Reaktion auf das immense Magnetfeld des Jupiter zuckte. „Das Einzige, was einen Sinn ergab“, sagte Kivelson, „war, ob sich unter der Eisoberfläche eine Hülle aus flüssiger Schmelze befand.“

Im Jahr 2004 erreichte die NASA-Raumsonde Cassini den Saturn. Als es den kleinen Saturnmond Enceladus beobachtete, stellte es fest, dass es glitzerte eisige Wolken aus riesigen Abgründen am Südpol des Mondes ausbrechen. Und als Cassini durch diese Ausgüsse flog, war der Beweis eindeutig: Es handelte sich um einen salzigen Ozean, der heftig in den Weltraum strömte.

Jetzt sind die Ozeane der Erde nicht mehr einzigartig. Sie sind einfach seltsam. Sie existieren auf der sonnenbeschienenen Oberfläche unseres Planeten, während die Meere des äußeren Sonnensystems unter Eis verborgen und in Dunkelheit getaucht sind. Und diese unterirdischen flüssigen Ozeane scheinen in unserem Sonnensystem die Regel und nicht die Ausnahme zu sein. Neben Europa und Enceladus gibt es mit ziemlicher Sicherheit auch andere Monde mit eisbedeckten Ozeanen. Eine Flotte von Raumfahrzeugen wird sie im nächsten Jahrzehnt im Detail erforschen.

All dies wirft ein scheinbares Paradoxon auf. Diese Monde existieren seit Milliarden von Jahren in den frostigen Regionen unseres Sonnensystems – lange genug, dass die Restwärme ihrer Entstehung vor Äonen in den Weltraum entwichen ist. Alle unterirdischen Meere sollten inzwischen aus festem Eis bestehen. Wie können diese Monde, die so weit außerhalb der Wärme der Sonne kreisen, heute noch Ozeane haben?

Immer mehr Beweise deuten darauf hin, dass es möglicherweise mehrere Möglichkeiten gibt, Ozeane mit flüssigem Wasser über Milliarden von Jahren hinweg zu erhalten. Die Entschlüsselung dieser Rezepte könnte unsere Suche nach der Frage, wie einfach oder schwierig es für die Entstehung von Leben im gesamten Kosmos ist, beschleunigen. Frisch analysiert Daten von alten Raumfahrzeugen, plus aktuelle Beobachtungen der NASA Juno Raumschiff und für James Webb Weltraumteleskop, tragen zu den wachsenden Beweisen bei, dass diese warmen Ozeane eine für die Biologie vorteilhafte Chemie enthalten und dass das innere Sonnensystem nicht der einzige Ort ist, an dem Leben möglicherweise zu Hause sein könnte.

Diese ozeanischen Monde bieten auch eine größere Möglichkeit. Gemäßigte, potenziell lebenswerte Ozeane könnten eine unvermeidliche Folge der Planetenentstehung sein. Es spielt möglicherweise keine Rolle, wie weit ein Planet und seine Monde vom nuklearen Feuer ihres Sterns entfernt sind. Und wenn das wahr ist, dann ist die Zahl der Landschaften, die wir auf unserer Suche nach Leben jenseits der Erde erkunden könnten, nahezu unbegrenzt.

„Ozeane unter eisigen Monden erscheinen seltsam und unwahrscheinlich“, sagte er Steven Vance, Astrobiologe und Geophysiker am Jet Propulsion Laboratory der NASA.

Und doch bleiben diese fremden Meere trotzig flüssig.

Ein spiegelverhüllter Ozean

Wissenschaftler vermuten, dass eine Handvoll Monde, die Jupiter und Saturn umkreisen – und vielleicht sogar einige, die sich um Uranus und Neptun drehen – Ozeane beherbergen. Der kräftige Ganymed und der von Kratern gezeichnete Callisto erzeugen schwache, Europa-ähnliche magnetische Signale. Auch Saturns dunstbedeckter Titan verfügt höchstwahrscheinlich über einen Ozean aus flüssigem Wasser unter der Oberfläche. Dies „sind die fünf, von denen die meisten Wissenschaftler in der Gemeinschaft ziemlich überzeugt sind“, sagte er Mike Sori, ein Planetenwissenschaftler an der Purdue University.

Bisher ist Enceladus die einzige absolute ozeanische Gewissheit. „Das ist eine Selbstverständlichkeit“, sagte er Carly Howett, ein Planetenwissenschaftler an der Universität Oxford.

In den 1980er Jahren vermuteten einige Wissenschaftler, dass Enceladus Federn hätte; Der E-Ring des Saturn war so sauber und glänzend, dass etwas – vielleicht von einem seiner Monde – in den Weltraum eindringen und ihn ständig erfrischen musste. Nachdem Cassini endlich Zeuge dieser planetenverschönernden Magie in Aktion geworden war, fragten sich die Wissenschaftler kurz, ob die südpolaren Fahnen des Mondes das Werk von Sonnenlicht sein könnten, das Eis in der Mondhülle verdampft – ein bisschen wie Trockeneis, das verdampft, wenn es erhitzt wird, vielleicht durch Sonnenlicht.

„Eine Zeit lang gab es diesen Streit darüber, ob es überhaupt einen Ozean geben müsse“, sagte Nimmo. „Was wirklich auf den Punkt kam, war, als [Cassini] durch die Wolke flog und sie Salz fanden – Natriumchlorid. Das ist ein Ozean.“ Es bestand immer noch die Möglichkeit, dass diese Wolken aus einem kleineren, isolierteren Meer ausbrechen könnten. Weitere Cassini-Beobachtungen ergaben jedoch, dass die Hülle von Enceladus so stark hin und her schwankt, dass sie durch einen globalen Ozean vom tieferen Mondinneren getrennt sein muss.

Die Wolken pumpen auch Wasserstoff und Quarz aus, Anzeichen für die Aktivität hydrothermaler Tiefseequellen, heißt es Frank Postberg, Planetenforscher an der Freien Universität Berlin. Auf der Erde erzeugen solche Entlüftungsöffnungen die Wärme und Chemie, die benötigt werden, um Ökosysteme anzutreiben, die außerhalb der Reichweite des Sonnenlichts existieren – Organismengemeinschaften, von denen Wissenschaftler einst dachten, dass sie in unserer von der Photosynthese abhängigen Welt nicht existieren könnten.

Aber was könnte ein Entlüftungssystem antreiben, das stark genug ist, um einen ganzen Ozean zu erhitzen? Ein anderer Mond – dieser von der feurigen Sorte – würde diese Hinweise liefern.

Die ewigen, höllischen Gezeiten

Im Juni 1979, einen Monat vor dem nahen Vorbeiflug der Voyager 2 an Europa, haben Wissenschaftler angekündigt dass Voyager 1 gigantische, schirmförmige Wolken gesehen hatte, die über Io in den Weltraum aufstiegen – die eruptiven Fingerabdrücke mehrerer Vulkane.

Diese Beobachtung hätte verblüffen müssen: Vulkanismus erfordert eine interne Wärmequelle, und Io hätte, wie die anderen Eismonde, nichts weiter als Glut sein sollen. Doch ein paar Monate zuvor hatte ein unabhängiges Wissenschaftlerteam Recht vorhergesagt dass Io eine hyperaktive Vulkanwelt sein könnte.

Sie hatten ihre Vorhersage auf das gestützt Orbitaltanz der größten Jupitermonde. Für alle vier Umlaufbahnen, die Io absolviert, macht Europa zwei und Ganymed eine. Diese als Resonanz bekannte Orbitalkonfiguration führt dazu, dass Io hin und her wackelt, wodurch seine Umlaufbahn elliptisch wird. Je näher sich Io dem Jupiter nähert, desto stärker wirkt die Schwerkraft des Planeten auf ihn. Je weiter er entfernt ist, desto schwächer ist die Anziehungskraft Jupiters. Dieses nie endende Tauziehen der Schwerkraft macht die felsige Oberfläche von Io aus hoch und runter bewegen um 100 Meter, die gleiche Höhe wie ein 30-stöckiges Gebäude. Das sind Gezeiten, wie auf der Erde – nur in festem Gestein, nicht im Wasser.

Diese Gezeiten erzeugen Reibung im Mond, die Wärme erzeugt. Und diese Gezeitenerwärmung ist stark genug, um das Gestein tief im Inneren von Io zu schmelzen. „Io hat keinen Wasserozean, aber wahrscheinlich einen Magmaozean“, sagte Nimmo. (Galileo hat dort auch ein sekundäres Magnetfeld entdeckt, das von einem erzeugt wurde globales unterirdisches Reservoir geschmolzenen Gesteins.)

Europa erlebt auch eine gewisse Gezeitenerwärmung. Aber wie sehr diese Gezeiten einen Ozean erwärmen, hängt davon ab, wo im Mond sie auftreten; Mit anderen Worten: Es muss genügend Wärme in den Ozean gelangen, um ihn flüssig zu halten. „Die Gezeitenerwärmung könnte in der Eisschale selbst stattfinden, oder sie könnte im felsigen Kern darunter stattfinden“, sagte Nimmo. Wissenschaftler wissen nicht, was richtig ist – daher können sie nicht sicher sagen, wie viel Gezeitenerwärmung zum flüssigen Inneren Europas beiträgt.

Auch Enceladus wird durch seinen Gravitationstango mit einem benachbarten Mond namens Dione gedehnt und gequetscht. Theoretisch könnte dies zu Gezeiten führen, die das Mondinnere erwärmen. Aber die Gezeiten, die durch seine Resonanz mit Dione entstehen, scheinen zumindest auf dem Papier nicht auszureichen, um seinen Ozean zu erklären. Die Zahlen stimmen noch nicht, sagte Sori, und die erzeugte Wärmemenge reicht nicht aus, um in den Milliarden Jahren seit der Entstehung des Sonnensystems einen globalen Ozean zu erhalten. Möglicherweise wissen die Wissenschaftler wie bei Europa nicht genau, wo die Gezeiten in Enceladus Wärme erzeugen.

Ein weiterer verwirrender Faktor ist, dass Umlaufbahnen über die astronomische Zeit hinweg nicht festgelegt sind. Während sich Planetensysteme weiterentwickeln, wandern Monde und „die Gezeitenerwärmung kann sich ein- und ausschalten, wenn Dinge in unterschiedliche Resonanzen hinein- und herausdriften“, sagte er David Rothery, ein Planetenwissenschaftler an der Open University im Vereinigten Königreich. Wissenschaftler vermuten, dass dies bei Miranda und Ariel passiert ist, zwei Uran-Satelliten, die möglicherweise ehemalige Tanzpartner waren; Diese Monde sehen aus, als wären sie einst geologisch aktiv gewesen, sind es aber jetzt wohl eingefroren bis ins Innerste.

In ähnlicher Weise hatte Enceladus möglicherweise nicht immer Dione als Tanzpartner: Vielleicht begann ihr Saturn-kreisender Boogie erst vor kurzem und erwärmte einen zuvor festen Mond. Aber auch dieses Szenario ist schwer zu erklären. „Es ist einfacher, einen Ozean in der Nähe zu halten und zu pflegen, als ihn einzufrieren und wieder einzuschmelzen“, sagte Sori. Wenn also ausschließlich die Gezeitenerwärmung für den Ozean von Enceladus verantwortlich ist, dann ist der Mond ein erfahrener Tänzer, der seit mehreren Milliarden Jahren auf und ab tanzt.

Derzeit ist die einzige Gewissheit über den Ozean dieses Mondes, dass er existiert. Wie es dazu kam und wie es heute noch existiert, „ist eine der wirklich großen ungelösten Fragen“, sagte Sori. „Enceladus ist schwer herauszufinden.“

Radioaktive Abtrünnige 

Glücklicherweise hängen warme, mondhelle Innenräume nicht ausschließlich von den Gezeiten ab.

Die Hälfte der inneren Wärme der Erde stammt von ihrer Entstehung. Der Rest stammt aus zerfallenden radioaktiven Elementen. Ebenso sollten die steinreichen Tiefen eisiger Monde eine anständige Menge an Uran, Thorium und Kalium enthalten – radioaktive Vorräte, die ihre Umgebung Hunderte Millionen, wenn nicht Milliarden Jahre lang kochen können, bevor sie in stabile Elemente zerfallen und keine Wärme mehr abgeben .

Größere Monde verfügen zu Beginn über reichlichere Vorräte an radioaktiver Materie. Und vielleicht ist das alles, was ihre Ozeane brauchen. „Bei größeren Monden wie Ganymed, Callisto und Titan sind sie aufgrund dieses radiogenen Faktors sozusagen unvermeidlich“, sagte Vance. Einige Wissenschaftler argumentieren sogar, dass Pluto hat einen unterirdischen Ozean. Wie die drei Monde ist dieser Zwergplanet wahrscheinlich durch eine ausreichend dicke Kruste isoliert, die das Austreten seines radioaktiven Ofens in den Weltraum verlangsamt.

Doch die relativ kleinen Herzen in Liliputmonden wie Enceladus enthalten nicht genug radioaktive Materie, um sie Milliarden von Jahren lang warm zu halten. Eine unbefriedigende Lösung für dieses Rätsel ist, dass Enceladus vielleicht einfach Glück hatte: Radioaktivität könnte einen frühen Teil seiner ozeanischen Vergangenheit erklären und sein Tanz mit Dione eine neuere Episode. Vielleicht „sind wir jetzt am Übergangspunkt, an dem die radiogene Erwärmung so niedrig wird, dass die Gezeitenerwärmung die Oberhand gewinnt“, sagte Postberg.

Wenn ja, dann ist Enceladus vielleicht ein Mikrokosmos des Universums: eine zufällige Kombination aus Gezeitenerwärmung und Radioaktivität. Das würde bedeuten, dass ozeanische Monde überall existieren könnten – oder umgekehrt, fast nirgendwo.

Jugendliche Ozeane

Alternativ und kontrovers argumentieren einige Wissenschaftler, dass Enceladus bemerkenswert jung sein könnte.

In den Unmengen an Daten, die die Raumsonde Cassini gesammelt hat, verbergen sich Hinweise darauf, dass Saturn nicht mit seinen ikonischen Ringen geboren wurde. Stattdessen sind mittlerweile viele Wissenschaftler davon überzeugt Die Ringe bildeten sich erst vor ein paar hundert Millionen Jahren. Neue Forschungen, bei denen Supercomputer zur Simulation von Gewalt zwischen Monden eingesetzt wurden, deuten darauf hin, dass sich die Ringe des Saturns bildeten, als zwei alte Monde etwa zu der Zeit kollidierten, als Stegosaurier die Erde durchstreiften. Dieser Zusammenstoß übersäte Saturns Umlaufbahn mit Legionen von Eissplittern; Während viele die Ringe bildeten, zerstörten andere bestehende Monde und neue geschaffen. Und wenn die Ringe jung sind, könnten auch Enceladus und eine Handvoll anderer Monde jung sein.

„Es fühlt sich an, als würden die Menschen immer offener dafür, zu bedenken, dass die Monde jung sind“, sagte er Jacob Kegerreis, ein Forschungswissenschaftler am Ames Research Center der NASA in Mountain View, Kalifornien, und Mitautor der aktuellen Ringbildungsstudie.

In einer Wendung, die diese Idee unterstützt, stellt sich heraus, dass Wissenschaftler nicht wissen, wie alt einige der Saturnmonde sind. „Enceladus könnte nur ein paar hundert Millionen oder mehrere zehn Millionen Jahre alt sein“, sagte Rothery. Wenn ja, dann hält die Hitze seiner hektischen Geburt seinen jungen Ozean möglicherweise immer noch flüssig.

Aber die Geschichte mit den jungen Monden ist alles andere als sicher – die schiere Anzahl der Krater, die viele zeigen, lässt darauf schließen, dass die Monde schon seit vielen Äonen da sind, um das flipperartige Pandämonium des Sonnensystems zu erleben. „Ich glaube, dass im Saturnsystem vor ein paar hundert Millionen Jahren etwas Seltsames passiert ist“, sagte Nimmo. „Aber ich schätze, dass alle Satelliten 4.5 Milliarden Jahre alt sind.“

Satelliten-Wahrsager

Da die Galileo- und Cassini-Missionen schon lange tot sind, setzen Wissenschaftler nun ihre Hoffnungen auf zwei Raumschiffe: den Jupiter Icy Moons Explorer der Europäischen Weltraumorganisation, der kürzlich gestartet ist, und den Europa Clipper der NASA, der noch nicht gestartet ist. Beide werden zu Beginn des nächsten Jahrzehnts bei Jupiter eintreffen.

Und das bringt uns zurück zu Europa, dem Mond, der als Erster eine Neuvorstellung des kosmischen Kontexts erzwang, in dem die Meere der Erde existieren.

Eines der Ziele für die Raumsonde Clipper – die im Oktober 2024 fliegen soll – ist (in den Worten von die Zielliste der Mission), um zu „bestätigen“, dass der Ozean Europas existiert. „Über dieses Wort gab es viele Auseinandersetzungen“, sagte Nimmo. Clipper könnte etwas anderes als einen Ozean finden; Möglicherweise gibt es stattdessen ein gefrorenes Meer voller Schmelzwassertaschen. Oder „es könnte eine dünne Goldschicht sein“, scherzte Nimmo. „Ich denke, es ist zu 99 % sicher, dass es dort einen Ozean gibt.“

Unter der Annahme, dass Clipper die Existenz des europäischen Ozeans bestätigt, wird es mit der Charakterisierung des Mondes und seines Untergrundmeeres beginnen. Dazu wird die Raumsonde zunächst herausfinden, welche Moleküle sich auf der Mondoberfläche befinden – und, wenn Wissenschaftler Glück haben, im Ozean darunter. Während er am Mond vorbeifliegt, nimmt Clipper jeglichen mikroskopisch kleinen Staub, Eis oder Wasserdampf auf, der von der Mondoberfläche aufsteigt. Diese Teilchen werden von ihm untersucht Oberflächenstaubanalysator Instrument: Wenn Körner auf die Metallplatte treffen, werden sie verdampft und elektrisch aufgeladen, sodass das Instrument die chemische Identität des Korns enthüllen kann.

Die Hoffnung besteht darin, dass die Wolken den Ozean Europas sanft in den Weltraum entlüften, was Clippers Suche erheblich erleichtern würde. Solche Quellen mögen existieren, aber sie werden nicht denen von Enceladus ähneln; Sie können intermittierender und geografisch sporadischer sein. Oder sie sind überhaupt nicht vorhanden – in diesem Fall besteht die Hoffnung, dass Mikrometeoriteneinschläge die eisige Hülle absplittern, kleine Teile des Ozeans freisetzen und sie in Richtung Clipper versprühen.

Und es könnte sich herausstellen, dass Europa und die anderen Monde, wenn es darum geht, warm zu bleiben, auf chemische Tricks angewiesen sind, die gar nicht so fremdartig sind, wie wir vielleicht erwarten. Im Winter „salzen wir die Straßen, um die Schmelztemperatur zu senken“, sagte Sori. Möglicherweise ist Europas Ozean besonders salzig, was den Gefrierpunkt senken würde. Andere Verbindungen wären jedoch wirksamer als Frostschutzmittel – „insbesondere Ammoniak“, sagte Sori, das in weiter Entfernung von der verdampfenden Blendung der Sonne häufiger vorkommt.

Gezeiten, Radioaktivität, Chemie und Jugend: Diese Zutaten können, wenn sie richtig gemischt werden, auf diesen eisigen Monden Ozeane erzeugen – und erhalten. „Bei all diesen Dingen glaube ich nicht, dass es ein Entweder-Oder ist“, sagte Howett. Das spezifische Rezept für jeden Satelliten kann unterschiedlich sein. Es könnte Hunderte von Möglichkeiten geben, einen mit Ozeanen gefüllten Eismond zu erschaffen.

Die Entdeckung des geheimen Ozeans Europas „hat die Art und Weise, wie Menschen über Monde denken, wirklich verändert“, sagte Kivelson. Und es brachte die Wissenschaft auf den Weg, herauszufinden, ob außerirdische Lebensformen diese außerirdischen Meere bevölkern könnten, und möglicherweise zu einer Entdeckung zu führen, die unsere Vorstellung von unserem Platz im Universum für immer verändern wird.

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