„In den Kältefallen landet nur wenig Wassereis“

Der Zwergplanet Ceres ist das größte Objekt im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter und wird derzeit von der Raumsonde Dawn der US-Weltraumagentur NASA umrundet. Diese Mission liefert eine Fülle neuer Erkenntnisse über den Zwergplaneten – so nutzten Wissenschaftler eine Kamera an Bord von Dawn, um sich auf die Suche nach Wasser auf seiner Oberfläche zu begeben. Wie ein Forscherteam im Fachmagazin „Nature Astronomy“ berichtet, ist es fündig geworden: in Kratern, die dauerhaft im Schatten liegen. Dort ist es so kalt, dass sich Wassereis permanent ablagern kann. Welt der Physik sprach mit dem beteiligten Wissenschaftler Thomas Platz vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen.

Welt der Physik: Warum sollte es auf der Oberfläche von Ceres Wassereis geben?

Thomas Platz vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung

Thomas Platz: Wir wissen, dass es auf unserem Mond und auf Merkur Regionen gibt, die im permanenten Schatten liegen. Diese permanenten Schatten gibt es nur, weil sowohl der Mond als auch Merkur fast keine Achsenneigung besitzen. Das bedeutet, dass es Impaktkrater in der Nähe des Nord- oder Südpols gibt, deren Kraterböden wenig oder gar kein Sonnenlicht abbekommen. Durch Experimente und Simulationen hat man herausgefunden, dass diese permanenten Schattenregionen kalt genug sind, dass sich dort Wasserkristalle ansammeln können. Im Fall von Ceres wissen wir, dass die Achsenneigung mit vier Grad genau wie beim Mond und beim Merkur relativ gering ist. Deshalb haben wir überhaupt erst einmal nach den permanenten Schattenregionen gesucht.

Woher weiß man, dass es Wasser oder Eis auf Ceres gibt?

Wir würden auf Ceres Eis erwarten, weil seine Gesamtdichte relativ gering ist. Das deutet darauf hin, dass Wasser in flüssiger oder in fester Form in größeren Mengen vorhanden sein muss. Aus Simulationen und theoretischen Arbeiten wissen wir, dass die oberste Schicht des Zwergplaneten sozusagen frei von Wassereis ist, obwohl es Wassereis in der Nähe der Oberfläche gibt. Aber dieser Boden – man spricht auch von Regolith – ist aus verschieden großen Körnern aufgebaut, deshalb gibt es zwischen ihnen Hohlräume. Das Eis, das sich darunter befindet, kann dennoch sublimieren, es geht also direkt vom festen in den gasförmigen Zustand über und kann durch die Hohlräume und Poren nach außen entweichen.

Lässt sich dieser Wasserdampf nachweisen?

Astronomen hatten bereits mithilfe des Weltraumteleskops Herschel beobachtet, dass Wasserdampf von Ceres aufsteigt, man weiß aber nicht, wo und wie er herauskommt. Die Wassermoleküle können durch Kryovulkanismus herausgeschleudert werden oder durch diesen Prozess, bei dem das Eis sublimiert. Der allergrößte Anteil des sublimierten Eises entweicht ins Weltall.

Und was passiert mit dem restlichen Wasser?

Es gibt dazu Simulationen von einzelnen Wassermolekülen, die zeigen, dass die Wassermoleküle, die vom festen Eis durch den Regolith nach außen wandern, teilweise noch thermisch an die Oberfläche gebunden sind. Das hört sich jetzt ein bisschen komisch an, aber man kann sich das so vorstellen, dass sie in Richtung Norden und in Richtung Süden über die Oberfläche von Ceres hopsen. Sie bewegen sich dabei auf ballistischen Trajektorien. Insgesamt gibt es nur drei Sprünge beziehungsweise Kollisionen mit der Oberfläche bevor die Wassermoleküle für immer ins Weltall verloren gehen. Nur ein winziger Bruchteil von diesen Wassermolekülen wird im permanenten Schatten, in sogenannten Kältefallen, abgelagert. Dort beträgt die Temperatur ungefähr minus 210 Grad Celsius, sodass sich Eis ansammeln und permanent existieren kann.

Wie haben Sie diese Ablagerungen aufgespürt?

Wir haben Aufnahmen mit einer Kamera an Bord der Raumsonde Dawn gemacht und auf diesen zunächst nach den permanenten Schatten gesucht und dann natürlich gehofft, helle Ablagerungen zu finden. Die haben wir auch tatsächlich gefunden. Bei einem Krater ist das Eis teilweise beleuchtet, es bekommt pro Tag etwa drei Stunden Sonnenlicht ab. Dort konnten wir ein Spektrum des reflektieren Lichts aufnehmen, das eindeutig das Vorhandensein von Wassereis belegt.

Zwergplanet Ceres

Wie dick ist denn eine solche Eisschicht?

Das können wir leider nicht direkt messen. Um eine helle Ablagerung anhand des Lichts, das von den Kraterwänden zurückgeworfen wird, erkennen zu können, muss die Eisschicht mindestens zehn Mikrometer dick sein, damit sie für unsere Kamera heller als ihre Umgebung erscheint. Einige Eisschichten erscheinen allerdings wesentlich mächtiger, möglicherweise bis zu einigen Metern.

Wie viel Wassereis haben Sie auf der Oberfläche von Ceres entdeckt?

Wir haben auf der nördlichen Hemisphäre knapp über 600 Krater ausgemacht, von denen zumindest ein Teil des Inneren permanent im Schatten liegt. Aber in lediglich zehn davon haben wir die Eisablagerungen gefunden. Eigentlich würde man annehmen, dass man die überall finden müsste, wenn die Modelle und Simulationen stimmen. Deshalb wollen wir überprüfen, warum das nicht der Fall ist.

Warum ist Wassereis auf der Oberfläche so selten?

Einschläge könnten eine Rolle spielen. Dabei wird Material ausgeworfen – und feines Material kann sich relativ großflächig als Staub auf der Zwergplanetenoberfläche niederschlagen. Wir haben uns überlegt, ob sich nicht solche Staubschichten, die von Einschlägen in der Nähe der Krater erzeugt wurden, auf dem Wassereis abgesetzt haben. Dadurch gäbe es zwar überall Wassereis, aber wir können die hellen Ablagerungen nicht identifizieren, weil es sich nicht um reines Wassereis handelt, sondern um ein Gemisch aus Eis und Staub, schmutziges Eis sozusagen. Eine andere Möglichkeit wäre, dass die Achsenneigung von Ceres stark schwankt. Zu überprüfen, ob sie schwankt und mit welcher Periode, steht als nächstes auf unserer Liste. Dafür müssen wir Simulationen durchführen, welche die Wechselwirkungen von Ceres mit anderen großen Körpern wie Jupiter und Mars über einen Zeitraum von mehreren Millionen Jahren berücksichtigen.