Kryovulkanismus auf Zwergplanet Ceres
In hochaufgelösten Aufnahmen des Occator Kraters finden sich Anzeichen lang-anhaltender geologischer Aktivität.
Zu den auffälligsten Strukturen auf der Oberfläche des Zwergplaneten Ceres zählen die hellen Flecke in Mitten des Occator Kraters. Bereits beim Anflug der NASA-Raumsonde Dawn auf den etwa 960 Kilometer großen Körper waren sie sichtbar. Wissenschaftler unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) haben jetzt erstmals das Alter dieses hellen Materials bestimmt, das hauptsächlich aus Ablagerungen spezieller Mineralsalze besteht. Mit etwa vier Millionen Jahren sind diese Ablagerungen rund 30 Millionen Jahre jünger als der Krater selbst. Dies sowie die Verteilung und Beschaffenheit des weißen Materials innerhalb des Kraters sprechen dafür, dass dort über einen langen Zeitraum und bis in jüngste Zeit immer wieder eine salzhaltige Lösung eruptiv aus der Tiefe aufgestiegen ist. Ceres ist somit der sonnennächste Körper mit kryovulkanischer Aktivität.
Seit fast zwei Jahren umkreist die NASA-Raumsonde Dawn den Zwergplaneten Ceres, der innerhalb des Asteroidengürtels zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter seine Bahnen um die Sonne zieht. Zunächst drang die Sonde dabei nach und nach in immer tiefere Umlaufbahnen vor, bis sie zwischen Dezember 2015 und September 2016 nur noch etwa 375 Kilometer von der Oberfläche trennten. Aus dieser Phase stammen die mit 35 Metern pro Pixel am höchsten aufgelösten Aufnahmen der Dawn Framing Cameras, Dawns wissenschaftlichem Kamerasystem, das unter Leitung des MPS entwickelt und gebaut wurde und betrieben wird.
MPS-Forscher haben nun die komplexen geologischen Strukturen, die sich in den Detailaufnahmen des Occator Kraters zeigen, genau untersucht. Zu diesen Strukturen zählen Risse, Gerölllawinen und später entstandene, kleinere Krater. „In diesen Daten offenbart sich uns die Entstehungsgeschichte und Evolution des heutigen Kraters so deutlich wie nie zuvor“, so Andreas Nathues vom MPS, wissenschaftlicher Leiter des Kamerateams. Zusätzliche Indizien lieferten die ebenfalls ausgewerteten Messungen des Infrarotspektrometers VIR an Bord von Dawn.
Der Occator Krater auf der Nordhalbkugel von Ceres misst 92 Kilometer im Durchmesser. In seinem Zentrum findet sich eine Senke mit einem Durchmesser von etwa elf Kilometern, an deren Rändern stellenweise gezackte Berge und Steilhänge emporragen. Noch weiter im Innern tritt eine helle domförmige Kuppe hervor: 400 Meter hoch, drei Kilometer im Durchmesser und durchzogen von Rissen.
„Diese Kuppe enthält das hellste Material auf Ceres“, so MPS-Wissenschaftler Thomas Platz. Forscher nennen das helle Material in der zentralen Senke Cerealia Facula. VIR-Daten zeigen, dass es reich an bestimmten Salzen, so genannten Karbonaten, ist. Da spätere Einschläge kleinerer Brocken in diesem Bereich kein anderes Material aus der Tiefe freilegten, ist es gut möglich, dass die Kuppe vollständig aus hellem Material besteht. Die vereinzelten hellen Flecke (Vinalia Faculae), die sich weiter außen im Kraterboden befinden, sind deutlich blasser, bilden eine dünnere Schicht und entpuppen sich bei genauer Analyse der VIR- und Kameradaten als Mischung aus Karbonaten und dunklem Umgebungsmaterial.
Nathues und sein Team deuten die zentrale Senke mit ihrem zum Teil bergigen, zerklüfteten Rand als Überbleibsel eines früheren Zentralberges. Der Zentralberg entstand als Folge des Einschlags, der den Occator Krater vor etwa 34 Millionen Jahren schuf, und kollabierte später. Die Kuppe aus hellem Material ist mit 4 Millionen Jahren deutlich jünger. Schlüssel zur Altersbestimmung war das genaue Zählen und Vermessen kleinerer Krater, die durch spätere Einschläge entstanden. Grundannahme bei dieser Methode ist, dass Oberflächen, die viele Krater aufweisen, älter sind als solche, die weniger stark „durchlöchert“ sind. Da in hochaufgelösten Aufnahmen auch recht kleine Krater sichtbar werden, enthält die aktuelle Studie die bisher exakteste Datierung dieser Oberflächen.
„Alter und Aussehen des Materials, das die helle Kuppe umgibt, deuten darauf hin, dass sie durch einen wiederkehrenden, eruptiven Prozess entstanden ist, der zum Teil auch Material nach weiter außen in die Senke geschleudert hat“, so Nathues. „Ein einzelnes eruptives Ereignis ist eher unwahrscheinlich“, fügt er hinzu. Für diese Theorie spricht auch ein Blick ins Jupitersystem. Auf den Monden Callisto und Ganymed finden sich ähnliche Erhöhungen. Forscher werten diese als Vulkankuppen und somit als Anzeichen von Kryovulkanismus.
Die MPS-Wissenschaftler gehen davon aus, dass auf Ceres ein ähnlicher Prozess aktiv ist. „Der große Einschlag, der den riesigen Occator Krater in die Oberfläche des Zwergplaneten riss, muss alles ursprünglich in Gang gesetzt und die spätere kryovulkanische Aktivität ausgelöst haben“, so Nathues. Durch den Einschlag konnte die Salzlösung, die Forscher entweder flächig oder vereinzelt unter dem Gesteinsmantel des Zwergplaneten vermuten, näher an die Oberfläche treten. Der geringere Druck ließ Wasser und gelöste Gase wie Methan und Kohlendioxid entweichen, die sich auf ihrem weiteren Weg nach oben ein System aus Schloten bahnten. An der Oberfläche bildeten sich daraufhin Risse, durch die die übersättigte Lösung eruptiv aus der Tiefe austreten konnte. Die abgelagerten Salze formten nach und nach die heutige Kuppe.
Der bisher letzte dieser Ausbrüche muss vor vier Millionen Jahren die heutige Oberfläche der Kuppe gestaltet haben. Ob die kryovulkanische Aktivität seitdem vollständig zum Erliegen gekommen ist oder auf einem geringeren Niveau bis heute fortdauern, ist unklar. Für letzteres sprechen Aufnahmen des Kraters, die unter bestimmten Winkeln Dunst zeigen. Bereits Ende 2015 hatten MPS-Forscher das Ausgasen von Wasserdampf für dieses Phänomen verantwortlich gemacht.
Jüngste Untersuchungen bekräftigen nun diesen Verdacht. Die MPS-Forscher werteten dafür zahlreiche Aufnahmen des Occator-Kraters aus einer frühen Phase der Mission aus, die aus einem Abstand von 14.000 Kilometern und aus flachen Blickwinkeln entstanden. Deutlich zeigen sich darin Helligkeitsschwankungen, die einem täglichen Rhythmus folgen. „Die Art der Lichtstreuung über dem Boden des Occator Kraters unterscheidet sich grundlegend von der über anderen Teilen der Ceres-Oberfläche“, beschreibt MPS-Forscher Guneshwar Singh Thangjam das Ergebnis seiner Analyse. „Die wahrscheinlichste Erklärung ist, dass sich in der Nähe des Kraterbodens ein optisch dünner, semitransparenter Dunst bildet“, fügt er hinzu. Die Forscher halten es für möglich, dass sich der Dunst durch sublimierendes Wasser bildet, das bei Sonneneinstrahlung aus den Rissen im Kraterboden austritt.
Die Dawn 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 ist für den wissenschaftlichen Teil der Mission 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 Kamera-Projekt wird finanziell von der Max-Planck-Gesellschaft, dem DLR und NASA/JPL unterstützt. Das Spektrometer VIR wurde von der italienischen Weltraumagentur ASI zur Verfügung gestellt und wird vom National Institute for Astrophysics in Rom in Zusammenarbeit mit Selex Galileo betrieben.