Plutos Mond Charon, gesehen durch das New Horizon Teleskop (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)
Mit dem James Webb Space Telescope (JWST) haben Astronomen Kohlendioxid und Wasserstoffperoxid auf der gefrorenen Oberfläche von Plutos größtem Mond Charon entdeckt. Der Nachweis dieser Moleküle könnte den Wissenschaftlern Aufschluss darüber geben, wie Charon und andere Eiskörper am Rande des Sonnensystems entstanden sind.
Seit seiner Entdeckung im Jahr 1978 wurde Charon ausgiebig untersucht – doch die bisherige Forschung war in Bezug auf die Wellenlängen des Lichts, die bei diesen Analysen untersucht werden konnten, begrenzt. Dies führte zu Lücken in unserem Verständnis der Oberflächenzusammensetzung dieses Plutomondes. Infolgedessen haben Wissenschaftler zwar Wassereis, ammoniakhaltige Spezies und organische Verbindungen auf Charon nachgewiesen, aber Kohlendioxid und Wasserstoffperoxid wurden nicht entdeckt. Das heißt, bis jetzt.
Das Team unter der Leitung von Silvia Protopapa vom Southwest Research Institute (SwRI) füllte diese Lücken, indem es Charon mit dem Nahinfrarotspektrographen (NIRSpec) des JWST untersuchte.
„Unsere Forschungen zeigen, dass die Oberfläche von Charon durch das Vorhandensein von Kohlendioxid Anzeichen für seine Umwandlung und durch das Vorhandensein von Wasserstoffperoxid auch Anzeichen für Bestrahlungsprozesse enthält“, so Protopapa gegenüber kosmischeweiten.de. „Diese Entdeckungen erweitern das bekannte Inventar der Zusammensetzung von Charon, das Wassereis, ammoniakhaltige Spezies und organische Materialien umfasst, die für seine graue und rote Färbung verantwortlich sind.“
Ein Diagramm, das die Lichtsignatur von Charon zeigt, die den Nachweis von Wasserstoffperoxid und Kohlendioxid anzeigt. (Bildnachweis: Silvia Protopapa (SwRI), Ian Wong (STScl))
Charon ist ein mittelgroßer Körper mit einer Breite von etwa 750 Meilen (1.207 Kilometern) und befindet sich im Kuipergürtel, einem Ring aus Eistrümmern, Kometen und Zwergplaneten, die auch als transneptunische Objekte (TNOs) bezeichnet werden, am Rande des Sonnensystems.
Im Gegensatz zu vielen größeren Objekten im Kuipergürtel ist Charons Oberfläche nicht durch flüchtige Eismassen wie Methan verdeckt, was den Wissenschaftlern wertvolle Einblicke in die Auswirkungen von Sonneneinstrahlung und Kraterbildung auf diese weit entfernten Körper ermöglicht. Darüber hinaus ist Charon der einzige mittelgroße TNO, für den geologische Kartierungen verfügbar sind. Dies ist den Daten zu verdanken, die von der NASA-Raumsonde New Horizons gesammelt wurden, die vor etwa einem Jahrzehnt das Pluto-System besuchte.
„Insgesamt machen diese Faktoren Charon zu einem unschätzbaren Ziel, von dem wir viel lernen können“, sagte Protopapa. „Unsere Ergebnisse liefern wertvolle Erkenntnisse darüber, wie Prozesse wie Sonneneinstrahlung und Kraterbildung die Oberfläche von Charon und damit auch von anderen mittelgroßen Eiskörpern jenseits der Neptunumlaufbahn formen.“
Cole Überraschungen auf Charon
Die Zusammensetzung von Sternen, Planeten und Monden kann anhand des Lichts, das sie aussenden oder von ihrer Oberfläche reflektieren, bestimmt werden. Dies ist möglich, weil Elemente Licht in bestimmten Wellenlängen absorbieren und emittieren. Die Betrachtung der Spektren eines Himmelskörpers mit einer Technik, die „Spektroskopie“ genannt wird, offenbart also die „Fingerabdrücke“ von Elementen und chemischen Verbindungen.
Protopapa und Kollegen kamen zu ihren Ergebnissen, indem sie die spektroskopischen Beobachtungen des JWST mit Labormessungen und detaillierten Spektralmodellen der Oberfläche von Charon verglichen. Daraus schlossen sie, dass Kohlendioxid in erster Linie als Oberflächenverkleidung auf einem wasser- und eisreichen Untergrund vorhanden ist.
„Die Oberfläche von Charon, wie sie von der Mission New Horizons entdeckt wurde, weist zahlreiche Krater auf, die von hellen Auswurfdecken umgeben sind, die reich an Wassereis und ammoniakhaltigen Verbindungen sind“, erklärte Protopapa. „Diese geologischen Merkmale deuten darauf hin, dass die Materialien unter der Oberfläche durch Einschläge freigelegt wurden, was einen Einblick in die Zusammensetzung des Mondes unter der Oberfläche ermöglicht.
„Unsere bevorzugte Interpretation ist, dass die obere Schicht des Kohlendioxids aus dem Inneren stammt und durch Kraterbildung an die Oberfläche gelangt ist.“
Sie fügte hinzu, dass Kohlendioxid auch deshalb erwartet wurde, weil bekannt ist, dass diese Verbindung in Regionen der protoplanetaren Scheibe vorhanden ist, aus der sich das Pluto-System gebildet hat. Die Tatsache, dass Kohlendioxid nicht von der NASA-Raumsonde New Horizons entdeckt wurde, als sie Pluto besuchte und 2015 Bilder von Charon aufnahm, beunruhigt die Wissenschaftler schon seit einiger Zeit.
„Der Nachweis von Kohlendioxid war eine zufriedenstellende Bestätigung unserer Erwartungen“, so Protopapa weiter.
Ein Bild der rissigen und zerkratzten Oberfläche des Plutomondes Charon, aufgenommen von der Mission New Horizon im Jahr 2015 (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)
Was das Team nicht erwartet hatte, war der Nachweis von Wasserstoffperoxid.
„Der Nachweis von Wasserstoffperoxid auf Charon war eine Überraschung. Ich habe wirklich nicht erwartet, dass man es auf der Oberfläche nachweisen kann“, sagte Protopapa. „Wasserstoffperoxid ist seit den 2000er Jahren auf der Oberfläche des Jupitermondes Europa nachgewiesen worden. Ich hätte nie gedacht, dass ich eine Arbeit schreiben würde, in der ich diese beiden Eissatelliten, Charon und Europa, miteinander vergleiche, wenn man bedenkt, wie unterschiedlich ihre Umgebungen sind.“
Das überraschende Vorhandensein von Wasserstoffperoxid auf Charon deutet für das Team darauf hin, dass die wassereisreiche Oberfläche von Plutos größtem Mond aktiv durch ultraviolettes Licht von der Sonne, energetische Teilchen aus dem Sonnenwind und Ströme geladener Teilchen von jenseits des Sonnensystems, genannt „galaktische kosmische Strahlung“, verändert wird.
„Wasserstoffperoxid bildet sich aus der Kombination benachbarter Hydroxid-Ionen-Radikale, die durch das Aufbrechen von Wassermolekülen aufgrund einfallender Ionen, Elektronen oder Photonen entstehen“, so Protopapa weiter. „Unser Team hat neue Labormessungen durchgeführt, um zu bestätigen, dass es möglich ist, Wasserstoffperoxid zu erzeugen, auch wenn Kohlendioxid vorhanden ist.“
Das Team ist mit dem größten Mond des Pluto noch nicht fertig. Das JWST wird Charon weiter untersuchen, und die Wissenschaftler werden die gewonnenen Daten nutzen, um eisige TNOs insgesamt besser zu verstehen.
„Zukünftige JWST-Beobachtungen, die auf die spektralen Lücken abzielen, die von den aktuellen Daten nicht abgedeckt werden, könnten zu neuen Entdeckungen auf Charon führen und sein chemisches Inventar weiter ausbauen und möglicherweise andere Mechanismen aufdecken“, sagte Protopapa.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Dienstag (1. Oktober) in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
