Künstlerische Darstellung des Zwergplaneten Sedna, der im fernen Kuipergürtel liegt. (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)
Eine neue Studie zeigt, dass ein überraschender chemischer Unterschied zwischen Pluto und Sedna, einem weiteren Zwergplaneten im fernen Kuipergürtel, Wissenschaftlern dabei hilft, deren jeweilige Massen genauer zu bestimmen.
Der Kuipergürtel ist eine Region im Weltraum, die sich jenseits der Umlaufbahn des Neptuns befindet. Hier findet man Pluto, die meisten bekannten Zwergplaneten sowie einige Kometen, von denen angenommen wird, dass sie Überreste aus der Zeit der Planetenentstehung in unserem Sonnensystem sind.
„Objekte im Kuipergürtel sind eisige Welten, die uns verraten können, wie die Bedingungen vor Milliarden von Jahren aussahen“, erklärte Amelia Bettati, Hauptautorin der Studie und Forscherin an der Elon University in North Carolina. „Ihre Erforschung hilft Wissenschaftlern zu verstehen, wie Planeten entstanden sind und sich entwickelt haben.“
Kürzlich durchgeführte nahinfrarotspektroskopische Untersuchungen des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) haben ergeben, dass auf der Oberfläche von Pluto sowohl Methan als auch Ethan vorhanden sind. Diese flüchtigen Moleküle sind im äußeren Sonnensystem häufig anzutreffen und gelten als Überreste aus der Zeit der Planetenentstehung. Sedna, das weniger als halb so groß wie Pluto ist, weist dagegen nur Methan auf.
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„Wir vermuteten, dass der Grund für diesen Unterschied darin liegt, dass Sedna viel kleiner als Pluto ist und daher eine schwächere Gravitation hat“, erklärte Bettati. „Diese geringere Anziehungskraft ermöglicht es dem Methan, über Milliarden von Jahren ins All zu entweichen, während das schwerere Ethan zurückbleibt.“
Während frühere Studien eine allgemeine Grenze zwischen Objekten, die flüchtige Stoffe halten können, und solchen, die dies nicht können, identifiziert haben, bietet der Unterschied zwischen Pluto und Sedna einen neuen Hinweis darauf, wie spezifische Entweichungsprozesse die Oberflächenzusammensetzung dieser fernen Objekte beeinflussen könnten. Sedna liegt nahe an der Massenschwelle, bei der flüchtige Stoffe verloren gehen. Dies unterstreicht die Bedeutung des Verständnisses, wie bestimmte Chemikalien zurückgehalten oder verloren gehen – insbesondere beim Vergleich verschiedener Objekte im Kuipergürtel.
„Durch die Untersuchung, wie Methan und Ethan von Sedna entweichen, haben wir berechnet, wie massereich Sedna sein muss, um seine aktuelle Oberflächenzusammensetzung zu erklären“, sagte Bettati. „Um das Fehlen von Methan bei gleichzeitigem Vorhandensein von Ethan auf Sedna zu erklären, müssen wir die Schätzung der Mindestmasse für Sedna erhöhen. Das ist wichtig, weil es unser Verständnis von Sednas Struktur und Geschichte verfeinert.“
In ihrer Studie modellierten Bettati und sein Mitautor Jonathan Lunine vom Jet Propulsion Laboratory der NASA und dem California Institute of Technology die Methan- und Ethanwerte auf Sedna. Zur Überprüfung der Genauigkeit ihres Modells nutzten sie zwei Vergleichsobjekte: den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko und den Saturnmond Enceladus.
Europas Rosetta-Sonde untersuchte den Kometen 67P aus nächster Nähe. Während ihrer Zeit im Saturnsystem sammelte die NASA-Raumsonde Cassini eine Fülle von Daten über Enceladus.
„Beide Objekte verfügen über präzise Messdaten und gehören zu den äußeren Objekten des Sonnensystems. Das rechtfertigt es, sie als Analogien zu betrachten“, erklärte Bettati.
Um herauszufinden, ob genug Methan und Ethan aus diesen Objekten entwichen ist, sodass sie nicht mehr in ihren Oberflächenspektren zu sehen sind, mussten die Wissenschaftler abschätzen, wie viel dieser Chemikalien ursprünglich im Inneren eingeschlossen war.
Sie führten dies unter zwei verschiedenen Szenarien durch. Das erste Szenario ging davon aus, dass das Verhältnis von Methan und Ethan zu Wassereis ähnlich ist wie das, was auf Enceladus gemessen wurde. Das zweite Szenario betrachtete das Verhältnis, das während des Winters auf dem Kometen 67P gefunden wurde. Diese Vergleiche halfen ihnen zu verstehen, wie viel dieser Verbindungen im Laufe der Zeit möglicherweise verloren gegangen ist.
„Wir haben das Jeans-Fluchtmodell verwendet“, erklärte Bettati. „Es handelt sich dabei um eine Art thermische Flucht, die durch die atmosphärische Temperatur angetrieben wird. Dabei überschreiten die schnellsten Moleküle die Fluchtgeschwindigkeit, während der Großteil der Moleküle dies nicht tut.“
Sie verwendeten auch ein weiteres Modell, das als hydrodynamischer Entweichungsprozess bekannt ist. Dieser tritt auf, wenn der Großteil der Moleküle entweichen kann, nicht nur diejenigen am hochenergetischen Ende der Verteilung. „Ein großer Teil der Atmosphäre ist in Bewegung und entweicht ins All“, erklärte Bettati.
Die Modelle zeigten, dass Methan auf Pluto stabil geblieben ist, während es auf Sedna aufgrund der geringeren Masse entweichen konnte. Ethan hingegen blieb auf beiden Objekten stabil, selbst bei zwei unterschiedlichen Ausgasungsraten – 100% (vollständige Freisetzung von flüchtigen Stoffen) und 10% (geringere Freisetzung).
Dieses Ergebnis stimmt mit den beobachteten Oberflächenspektren überein und liefert eine genauere Massenschätzung für Sedna. Das Modell erklärt zudem das Fehlen von Methan auf einem weiteren Objekt im Kuipergürtel, das als Gonggong bekannt ist.
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Bettati erklärte: „Ähnlich wie Sedna weist auch Gonggong kein Methan auf der Oberfläche auf. Da Gonggong in seiner Größe Sedna ähnelt, gehen wir davon aus, dass das Methan auf ähnliche Weise entweichen musste. Dies deutet darauf hin, dass kleinere Objekte im Kuipergürtel im Laufe der Zeit Methan verlieren, während größere, wie Pluto, es halten können.“
Falls Wissenschaftler wissen, welche Gase auf verschiedenen Kuipergürtel-Objekten wahrscheinlich vorhanden sind, wie schnell sie entweichen und wie ihre Zusammensetzung in der Vergangenheit war, können sie zukünftige Missionen besser planen.
Diese Erkenntnisse, kombiniert mit den Beobachtungen des JWST, werden Wissenschaftlern dabei helfen, zu verstehen, wie sich Atmosphären und Oberflächenzusammensetzungen im Kuipergürtel und darüber hinaus verändern.
„Es zeigt, wie das JWST unser Verständnis der entferntesten Objekte im Sonnensystem revolutioniert“, sagte Bettati.
Die neue Studie wurde im Februar in der Fachzeitschrift Icarus veröffentlicht.
