Hubble und Cassini liefern neue Einblicke in die "Ozeanwelten" unseres Sonnensystems

Diese Illustration zeigt Cassini beim Flug durch die Gasfahne von Enceladus im Jahr 2005. (Credits: NASA / JPL-Caltech)
Diese Illustration zeigt Cassini beim Flug durch die Gasfahne von Enceladus im Jahr 2005. (Credits: NASA / JPL-Caltech)

Zwei altgediente NASA-Missionen liefern neue Details über eisige, Ozeane beherbergende Monde von Jupiter und Saturn und unterstreichen das wissenschaftliche Interesse an diesen und anderen Ozeanwelten in unserem Sonnensystem und darüber hinaus. Die Ergebnisse werden in Abhandlungen präsentiert, die am Donnerstag (13.04.2017) von Forschern der NASA-Saturnmission Cassini und der Hubble-Mission veröffentlicht wurden.

In den Abhandlungen geben die Cassini-Wissenschaftler bekannt, dass eine Form von chemischer Energie, die von Leben genutzt werden kann, auf dem Saturnmond Enceladus zu existieren scheint. Hubble-Forscher berichten über weitere Hinweise auf Gasfahnen, die von Jupiters Mond Europa ausgehen.

"Mit den Ergebnissen sind wir der Identifizierung eines Ortes mit einigen der für eine habitable Umgebung benötigten Zutaten bislang am nächsten gekommen", sagte Thomas Zurbuchen, Associate Administrator des Science Mission Directorate am NASA-Hauptquartier in Washington. "Diese Ergebnisse demonstrieren die zusammenhängende Natur der NASA-Forschungsmissionen, die uns näher an die Beantwortung der Frage bringen, ob wir wirklich allein sind oder nicht."

Die Abhandlung der Wissenschaftler von der Cassini-Mission, veröffentlicht im Journal Science, lässt auf die Präsenz von Wasserstoffgas schließen, das aus hydrothermaler Aktivität auf dem Meeresboden in den Ozean unter der Oberfläche von Enceladus entweicht. Das Wasserstoffgas könnte möglicherweise eine Quelle chemischer Energie für Leben darstellen.

Diese Grafik verdeutlicht, wie das Wasser nach Meinung der Cassini-Forscher mit Gestein auf dem Meeresboden von Saturns Eismond Enceladus wechselwirkt und Wasserstoffgas produziert. (Credits: NASA / JPL-Caltech)
Diese Grafik verdeutlicht, wie das Wasser nach Meinung der Cassini-Forscher mit Gestein auf dem Meeresboden von Saturns Eismond Enceladus wechselwirkt und Wasserstoffgas produziert. (Credits: NASA / JPL-Caltech)

Die Anwesenheit von genügend Wasserstoff im Ozean des Mondes bedeutet, dass Mikroben – falls dort welche existieren – es nutzen könnten, um Energie zu gewinnen, indem sie den Wasserstoff mit Kohlenstoffdioxid kombinieren, das im Wasser gelöst ist. Diese chemische Reaktion wird als Methanogenese bezeichnet, weil sie als Nebenprodukt Methan erzeugt. Sie ist die Wurzel des Baums des Lebens auf der Erde und könnte sogar entscheidend für den Ursprung des Lebens auf unserem Planeten gewesen sein.

Leben wie wir es kennen benötigt drei Hauptzutaten: flüssiges Wasser, eine Energiequelle für den Stoffwechsel und die richtigen chemischen Zutaten, hauptsächlich Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel. Mit diesem Ergebnis hat Cassini gezeigt, dass Enceladus (ein kleiner Eismond, der eine Milliarde Meilen weiter von der Sonne entfernt ist als die Erde) fast all diese Zutaten für die Bewohnbarkeit besitzt. Cassini hat noch keinen Phosphor und keinen Schwefel in dem Ozean registriert, aber Wissenschaftler gehen von der Anwesenheit aus, weil der Gesteinskern von Enceladus chemisch vermutlich Meteoriten ähnelt, die die beiden Elemente enthalten.

"Die Bestätigung, dass die für Leben notwendige chemische Energie innerhalb des Ozeans eines kleinen Mondes von Saturn existiert, ist ein bedeutender Meilenstein für unsere Suche nach habitablen Welten jenseits der Erde", sagte Linda Spilker, Cassini-Projektwissenschaftlerin am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena (Kalifornien).

Die Raumsonde Cassini entdeckte den Wasserstoff in der Fahne aus Gas und eishaltigem Material, die von Enceladus ausgestoßen wird, bei ihrem letzten und tiefsten Flug durch die Fahne am 28. Oktober 2015. Cassini untersuchte außerdem die Zusammensetzung der Fahne während früherer Vorbeiflüge der Mission. Anhand dieser Beobachtungen haben Forscher festgestellt, dass fast 98 Prozent des Gases in der Fahne aus Wasser besteht; etwa ein Prozent ist Wasserstoff und der Rest ist ein Gemisch aus anderen Molekülen, darunter Kohlenstoffdioxid, Methan und Ammoniak.

Die Messungen wurden mit Cassinis Ion and Neutral Mass Spectrometer (INMS) gemacht, das Gasspuren registriert, um ihre Zusammensetzung zu bestimmen. Das INMS wurde entwickelt, um die obere Atmosphäre des Saturnmondes Titan zu untersuchen. Nachdem Cassini im Jahr 2005 überraschend eine aufsteigende Eisnebelfahne entdeckte, die aus Rissen am Südpol von Enceladus stammt, richteten die Forscher die Detektoren auf den kleinen Mond.

Cassini wurde nicht entwickelt, um Anzeichen für Leben in der Gasfahne von Enceladus zu registrieren. In der Tat wussten die Forscher nicht, dass die Gasfahne existiert, bis die Raumsonde im Saturnsystem eintraf. "Wenn wir auch kein Leben nachweisen können, so haben wir doch herausgefunden, dass es eine Energiequelle für Leben gibt. Es wäre wie ein Süßwarengeschäft für Mikroben", sagte Hunter Waite, der Hauptautor der Cassini-Studie.

Die neuen Ergebnisse sind eine unabhängige Belegkette dafür, dass im Ozean von Enceladus hydrothermale Aktivitäten stattfinden. Frühere Ergebnisse, die im März 2015 veröffentlicht wurden, vermuteten, dass heißes Wasser mit Gestein unter dem Meer interagiert. Die neuen Ergebnisse unterstützen diese Schlussfolgerung und ergänzen, dass das Gestein chemisch zu reagieren scheint, um den Wasserstoff zu produzieren.

Die Abhandlung, die die neuen Ergebnisse des Hubble-Teleskops beschreibt, wurde in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht. Sie berichtet von Beobachtungen des Jupitermondes Europa aus dem Jahr 2016, bei denen eine mögliche Materialfahne beim Ausbruch aus der Mondoberfläche registriert wurde. Sie trat an der gleichen Stelle auf der Oberfläche des Mondes auf, wo Hubble im Jahr 2014 Anzeichen für eine Materialfahne entdeckt hatte. Diese Bilder stärken die Belege dafür, dass die Materialfahnen Europas ein reales Phänomen sind und zeitweilig in der gleichen Region auf der Mondoberfläche ausbrechen.

Diese Kompositbilder zeigen eine vermutete Materialfahne, die im Abstand von zwei Jahren am gleichen Ort von der Oberfläche des Jupitermonds Europa aufsteigt. Beide Fahnen, von Hubble in ultravioletten Wellenlängen fotografiert, erscheinen als Silhouette, während der Mond vor Jupiter vorbeizieht. (Credits: NASA / ESA / STScI / USGS)
Diese Kompositbilder zeigen eine vermutete Materialfahne, die im Abstand von zwei Jahren am gleichen Ort von der Oberfläche des Jupitermonds Europa aufsteigt. Beide Fahnen, von Hubble in ultravioletten Wellenlängen fotografiert, erscheinen als Silhouette, während der Mond vor Jupiter vorbeizieht. (Credits: NASA / ESA / STScI / USGS)

Die neu fotografierte Gasfahne erhebt sich 100 Kilometer über Europas Oberfläche, während die im Jahr 2014 beobachtete auf eine Höhe von etwa 50 Kilometern geschätzt wurde. Beide stimmen mit der Position einer ungewöhnlich warmen Region überein, welche Strukturen aufweist, die Brüche in der Eiskruste des Mondes zu sein scheinen. Die warme Region wurde Ende der 1990er Jahre von der NASA-Raumsonde Galileo beobachtet. Forscher spekulieren, dass dies wie bei Enceladus ein Beleg für aus dem Mondinneren stammendes Wasser sein könnte.

"Die Gasfahnen auf Enceladus stehen mit wärmeren Regionen in Zusammenhang. Nachdem Hubble also diese neue gasfahnenähnliche Struktur auf Europa abgebildet hatte, schauten wir uns diese Region auf der Thermalkarte Galileos an. Wir entdeckten, dass der Kandidat für die Materialfahne Europas genau auf der thermalen Anomalie sitzt", sagte William Sparks vom Space Telescope Science Institute in Baltimore (Maryland). Sparks leitete die Hubble-Untersuchungen der Materialfahne sowohl 2014 als auch 2016.

Das grüne Oval markiert den Ort der Materialfahnen, die von Hubble auf Europa registriert wurden. Das Gebiet stimmt auch mit einer warmen Region auf Europas Oberfläche überein. Die Thermalkarte basiert auf Beobachtungen der Raumsonde Galileo. (Credits: NASA / ESA / STScI / USGS)
Das grüne Oval markiert den Ort der Materialfahnen, die von Hubble auf Europa registriert wurden. Das Gebiet stimmt auch mit einer warmen Region auf Europas Oberfläche überein. Die Thermalkarte basiert auf Beobachtungen der Raumsonde Galileo. (Credits: NASA / ESA / STScI / USGS)

Die Forscher sagen, falls die Materialfahne und die warme Region in Verbindung stehen, dann könnte das bedeuten, dass Wasser, welches unter der Eiskruste des Mondes aufsteigt, die umgebende Oberfläche erwärmt. Einer anderen Theorie zufolge fällt Wasser, das zuvor mit der Fahne ausgestoßen wurde, als feiner Nebel zurück auf die Oberfläche und verändert ihre Struktur dahingehend, dass sie Wärme länger halten kann als die umgebende Landschaft.

Für die Beobachtungen von 2014 und 2016 nutzte das Team Hubbles Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS), um die Fahnen in ultravioletten Wellenlängen zu beobachten. Wenn Europa vor Jupiter vorbeizieht, blockieren jedwede atmosphärischen Strukturen am Rand des Mondes einen Teil von Jupiters Licht. Dadurch kann der STIS die Strukturen als Silhouette untersuchen. Sparks und sein Team werden Hubble weiterhin für die Beobachtung Europas verwenden, um nach weiteren Beispielen für Fahnenkandidaten zu suchen. So hoffen sie die Häufigkeit festzustellen, mit der sie auftreten.

Die zukünftige Erforschung der Ozeanwelten durch die NASA wird durch Hubbles Beobachtung von Europas mutmaßlicher Fahnenaktivität und Cassinis Langzeituntersuchung der Gasfahne von Enceladus ermöglicht. Beide Untersuchungen legen den Grundstein für die NASA-Mission Europa Clipper, deren Start in den 2020er Jahren geplant ist. "Wenn es Gasfahnen auf Europa gibt, was wir stark vermuten, dann werden wir mit dem Europa Clipper bereit für sie sein", sagte Jim Green, der Director of Planetary Science am NASA-Hauptquartier.

Hubbles Identifizierung einer Region, die anhaltende, zeitweise Gasfahnenaktivität aufweist, bietet ein verlockendes Ziel für die leistungsfähigen wissenschaftlichen Instrumente der Europa-Mission. Außerdem bereiten einige von Sparks Co-Autoren der Hubble-Europa-Studien eine leistungsfähige Ultraviolettkamera vor, die an Bord des Europa Clipper installiert wird. Sie wird ähnliche Messungen wie Hubble machen, aber aus zigtausendfach geringerer Entfernung. Und mehrere Mitglieder des Cassini-INMS-Teams entwickeln eine außergewöhnlich empfindliche Version ihres Instruments für den Flug an Bord des Europa Clipper.

Science Cast: Ocean Worlds

Quelle

(THK)

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