Wissenschaft

Vesta und Ceres - zwei ungleiche Schwestern

Die Himmelskörper Vesta und Ceres, die in einem Abstand von mehr als 300 Millionen Kilometern im Asteroidengürtel um die Sonne kreisen, könnten unterschiedlicher nicht sein: Vesta war einst so heiß, dass ihre schweren Bestandteile ins Innere absanken und sich auf diese Weise ein schichtartiger Aufbau ausbildete. Ceres hingegen war wahrscheinlich schon immer ein eher kalter Brocken, unter dessen Oberfläche sich möglicherweise gefrorenes, möglicherweise sogar flüssiges Wasser erstreckt. Trotz dieser gewaltigen Unterschiede weichen ihre jeweiligen Entfernungen von der Sonne um nur 60 Millionen Kilometer voneinander ab. Beide Körper stehen somit stellvertretend für den Übergang, der sich im Asteroidengürtel vollzieht: von den festen, inneren Planeten (Merkur, Venus, Erde und Mars) zu den weit entfernten Gasriesen (Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun) und ihren Monden, die hauptsächlich aus Helium, Wasserstoff und Methan bestehen. Zudem erlauben Vesta und Ceres einen Blick zurück zu den Anfängen unseres Sonnensystems. Beide Körper konnten sich nicht zu großen Planeten entwickeln, sondern blieben in frühen Phasen der Planetenentstehung stehen. Fast alle anderen Körper ballten sich entweder zu größeren Planeten zusammen oder zerbrachen in kleine Fragmente als Folge heftiger Zusammenstöße.

Die Entstehung der Planeten

Vor etwa 4,5 Milliarden Jahren sah unser Sonnensystem völlig anders aus als heute. Statt der heutigen acht Planeten drehte sich erst eine Wolke, später eine Scheibe aus Gas und Staub um die gerade entstandene Sonne. Neben Wasserstoff und Helium bestand diese “Ur-Materie” hauptsächlich aus Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Silizium, Magnesium und Eisen.

Unter dem Einfluss der Schwerkraft ballten sich mit der Zeit unregelmäßig geformte Klumpen zusammen, die schließlich Durchmesser von einigen Kilometern erreichten. Durch weitere Zusammenstöße vereinigten sich diese Brocken, wuchsen weiter und wurden zu Protoplaneten – kleiner noch als die heutigen Planeten, aber bereits von gleichförmiger Gestalt und mit einem strukturierten inneren Aufbau. Auf ihre Umgebung wirkten die vergleichsweise großen Protoplaneten wie kosmische Staubsauger: Ihre Gewichtskraft zog alle weitere Materie an, bis die Umgebung weitestgehend gereinigt war. Allein im so genannten Asteroidengürtel zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter vollzog sich eine andere Entwicklung. Hier verhinderte der Einfluss des Proto-Jupiter, dass sich weitere Planeten bildeten. Die “Vorplaneten” Vesta und Ceres blieben deshalb in einer frühen Phase ihrer Entwicklung stehen. Ihr innerer Aufbau hat sich seit etwa 4,5 Milliarden Jahren kaum weiterentwickelt.

Das neu geborene Planetensystem veränderte sich durch den Einfluss der Sonne weiter. Durch ihre Hitze und das Bombardement aus geladenen Teilchen, die sie ins All schleudert, verloren die inneren Planeten (Merkur, Venus, Erde, Mars) ihre Gasbestandteile; zurück blieben feste Körper. Die äußeren Planeten (Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun) und ihre Monde hingegen blieben reich an Wasser.

Vesta - aufgebaut aus drei Schichten

Vesta ist in vielerlei Hinsicht einzigartig. Das haben die umfangreichen Messungen bewiesen, welche die Mission Dawn 2011 und 2012 vor Ort durchführte. Seitdem gilt Vesta als bisher einziger bekannter (und einzig „überlebender“) Protoplanet. In einem solchen „Vorplaneten“ hat sich zwar bereits so viel Masse zusammengeballt, dass er eine annähernd kugelförmige Gestalt und eine innere Schichtstruktur hat. Doch im Vergleich zu den heutigen Planeten ist er eher winzig.

Beide Eigenschaften treffen auf Vesta zu. Mit einem Durchmesser von etwa 530 Kilometern ist Vesta zwar deutlich größer als fast alle anderen Körper im Asteroidengürtel. Doch selbst der Durchmesser des Merkur, des kleinsten Planeten im Sonnensystem, übertrifft diesen Wert beinahe um das Zehnfache. Zudem zeigen die neuen Messungen, dass Vesta ähnlich wie die inneren Planeten Merkur, Venus, Erde und Mars einen schichtartigen inneren Aufbau aus Gesteinskruste, Gesteinsmantel und Kern besitzt. Vesta ist der kleinste bekannte Himmelskörper, für den ein solcher zwiebelartiger Aufbau nachgewiesen wurde. Während der Kern vermutlich aus Eisen und Nickel besteht, setzen sich Mantel und Kruste in erster Linie aus Silikaten zusammen. Der Radius des Kerns könnte mehr als 100 Kilometer betragen. Auch die Kruste könnte mit möglichen 22 Kilometern erstaunlich dick sein. Der genaue innere Aufbau Vestas ist allerdings noch Gegenstand wissenschaftlicher Forschung.

Damit die verschiedenen Schichten entstehen konnten, muss Vesta einst heiß und geschmolzen gewesen sein. Nur so können schwere Komponenten ins Innere absinken und dort den Kern bilden. Wissenschaftler vermuten, dass Vesta zum Zeitpunkt ihrer Entstehung vor etwa 4,5 Milliarden Jahren radioaktive Aluminium-Isotope enthielt, welche ursprünglich aus einer Sternenexplosion außerhalb des Sonnensystems stammen. Diese dienten als „Brennmaterial“. Doch Vesta kühlte rasch aus. Und da (anders als etwa bei der Erde) der Druck im Innern nicht groß genug ist, um Kern und Mantel dauerhaft flüssig zu halten, erlosch auch bald nach der Entstehung jegliche vulkanische Aktivität.

Doch auch ohne Vulkanismus hatte der Protoplanet eine bewegte Vergangenheit, der sein äußeres Erscheinungsbild maßgeblich prägte. Die Aufnahmen der Dawn-Sonde zeigen, dass zwei heftige Asteroideneinschläge die Südhalbkugel der Vesta erschütterten: Vor etwa zwei bis drei Milliarden Jahren entstand auf diese Weise das so genannte Veneneia-Becken; später das riesige Rheasilvia-Becken und in seiner Mitte eine gewaltige Erhebung von 22 Kilometern, deren Höhe mit der des Olympus Mons auf dem Mars vergleichbar ist. Es handelt sich dabei um den höchsten Berg des Sonnensystems. Die Nordhalbkugel Vestas ist hingegen übersät von Kratern.

Der letzte Einschlag riss so viel Material aus dem Protoplaneten heraus, dass daraus eine eigene Klasse kleinerer Asteroiden, die so genannten Vestoiden, entstand. Auch eine Gruppe von Meteoriten, die so genannten HED-Meteoriten, gehen zu großen Teilen auf Vesta zurück. Diese Meteoriten, die in erster Linie aus den Gesteinsarten Howardit, Eucrit und Diogenit bestehen, machen etwa sechs Prozent aller Meteoriten aus, die auf der Erde gefunden werden. Der Vergleich von Laboruntersuchungen und Messungen von Dawn konnten nun beweisen, dass Vesta tatsächlich der Mutterasteroid dieser Bruchstücke ist.

Zudem brachten die Einschläge fremdes Material mit. Denn Vestas Oberfläche überrascht durch so starke Helligkeitsunterschiede, wie sie auf keinem anderen Körper im Sonnensystem zu finden sind. Während das hellste Material Licht ebenso stark reflektiert wie Schnee, sind die dunklen Bereiche etwa so schwarz wie Kohle. Nicht nur die Verteilung dieses dunklen Materials, das reich an Kohlenstoff ist, spricht dafür, dass es durch viele Asteroideneinschläge zur Vesta gelangte. Das Material enthält auch das Mineral Serpentin. Diese Entdeckung erlaubt Rückschlüsse auf die Umweltbedingungen auf dem Protoplaneten. Da Serpentin hohe Temperaturen nicht überdauern kann, Vesta jedoch einst heiß und geschmolzen war, muss das Material später dorthin gelangt und damit fremden Ursprungs sein. Wahrscheinlich haben Einschläge primitiver Asteroiden das Material einst zu Vesta gebracht. Ein vulkanischer Ursprung ist damit ausgeschlossen.

Ceres - eine Welt auf Eis

Mit einem Durchmesser von etwa 950 Kilometern ist der Zwergplanet Ceres die deutlich größere der beiden ungleichen Schwestern und nahezu kugelförmig. Bisher ist nur wenig über seine Beschaffenheit und seinen inneren Aufbau bekannt. Die geringe Dichte des Körpers deutet darauf hin, dass Ceres im Innern keinen metallischen Kern besitzt. Forscher vermuten, dass sich unter der obersten, nur einige Zentimeter dicken Schicht aus möglicherweise wasserhaltigem Tonmineral-Gestein eine Schicht aus gefrorenem Wasser – vielleicht zusätzlich eine aus flüssigem Wasser – erstreckt. Den Kern könnte ein Gemisch aus Gestein und Eis bilden. In seiner Zusammensetzung gleicht der Zwergplanet Ceres somit den Jupitermonden Ganymed und Callisto. Manche Wissenschaftler glauben zudem, dass Ceres gefrorene Polkappen besitzt, die im Sommer verdunsten. Diese Theorie stützt sich auf Hinweise, dass vom Nordpol des Asteroiden eine Verbindung aus Sauerstoff und Wasserstoff entweicht. Die zurückliegende Mission Herschel hat außerdem ergeben, dass Ceres gelegentlich Wasserdampf in das All abgibt.

Dies alles deutet darauf hin, dass Ceres ein kalter Körper ist, der nie einen heißen Kern besaß. Warum nicht auch Ceres (so wie Vesta) genügend radioaktives Aluminium einfing und sich dadurch signifikant aufheizte, ist bisher unklar. Vielleicht versteckt sich aber unter der primitiven Oberfläche der Ceres doch ein schalenartiger Aufbau - wenn auch in einer anderen Form als bei Vesta.