Wassereis im Asteroidengürtel

Herschel weist Wasserdampf auf Ceres nach

27.01.2014 - Deutschland

Mit detaillierten Beobachtungen von Ceres konnte erstmals Wasser auf diesem Asteroiden direkt nachgewiesen werden. Ein internationales Astronomenteam, darunter Thomas Müller vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, fanden den „Fingerabdruck“ von Wasser in einigen Ceres-Spektren, aufgenommen mit dem Herschel-Weltraumobservatorium. Außerdem scheint es, dass die Menge an Wasserdampf entlang der Umlaufbahn variiert; näher an der Sonne verstärkt sich das Signal. Während dieses Ergebnis frühere Hinweise bestätigt, dass es Wassereis im Asteroidengürtel gibt, wirft es neue Fragen hinsichtlich der Entstehung und der Verteilung von Wasser in unserem Sonnensystem auf.

Genau wie auf der Erde die sogenannte „Schneelinie“ im Gebirge höhere, kalte Regionen von den unteren, wärmeren Gebieten trennt, in denen sich kein Eis und Schnee halten kann, gibt es auch im Sonnensystem (und jedem anderen Planetensystem) eine derartige Grenze: die inneren Regionen nahe der Sonne sind – zumindest in der frühen Entstehungsphase der Planeten - zu heiß für stabile Wasser- bzw. Eisreservoirs. Diese „Eisgrenze“ verläuft bei etwa fünf Astronomischen Einheiten (~ 750 Millionen km) und man erwartet folglich Wassereis nur bei Körpern, die außerhalb dieser Grenze entstanden sind, also bei den äußeren Planeten, Kometen, Kleinkörpern oder Objekten im Kuipergürtel jenseits von Neptun bis an die Grenzen des Sonnensystems in der Oortschen Wolke.

Allerdings sind in den letzten Jahren einige Indizien aufgetaucht, dass auch Kleinkörper im Asteroidengürtel, also nur etwa zwei bis drei Astronomische Einheiten von der Sonne entfernt, Eisbestandteile enthalten. Einige dieser Objekte zeigen sporadisch kometenähnliche Ausbrüche; einige Astronomen sprechen deshalb auch von der “Kometenfamilie im Asteroidengürtel”. Ein direkter Wassernachweis konnte aber bisher noch nicht gefunden werden.

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Ein internationales Wissenschaftlerteam mit Thomas Müller vom MPE fand nun bei detaillierten Beobachtungen von Ceres, dem größten Objekt im Asteroidengürtel, eindeutige Spuren von Wasser. Mit dem HIFI-Instrument auf dem Infrarotsatelliten Herschel konnten die Wissenschaftler über einen Zeitraum von mehreren Monaten Spektren aufnehmen, die den eindeutigen Fingerabdruck von Wasserdampf enthalten.

„Die Intensität der Wasserlinie hängt dabei mit regional begrenzten, dunkleren Gebieten auf der Oberfläche zusammen; diese sind entweder wärmer oder Krater, bei denen durch einen Einschlag tiefer liegende Eisschichten freigelegt wurden“, führt Thomas Müller aus. „Außerdem konnten wir auch nachverfolgen, wie sich die Wassermenge ändert, wenn sich der Asteroid auf seiner Bahn um die Sonne bewegt: auf den sonnennäheren Bahnabschnitten nimmt die Wassermenge zu, in den weiter entfernten Abschnitten wieder ab.“

Ceres ist insgesamt ein sehr dunkler Körper, der nur etwa 10% des Sonnenlichts reflektiert; helle Eisflächen sind dort nicht zu finden. Das Wasser bzw. Eis muss also unter einer Staub- bzw. Geröllschicht verborgen sein und kann wahrscheinlich nur an wenigen Stellen, bei denen sich das Eis relativ nahe unter der Oberfläche befindet, austreten. Diese “Isolationsschicht” ist wohl auch dafür verantwortlich, dass überhaupt Eis auf Ceres überleben kann: Aufgrund der hohen Sonnenintensität hätte Eis direkt auf der Oberfläche nur eine sehr kurze Lebensdauer.

Da nun der Wassernachweis auf Ceres gelungen ist, bleibt noch die Frage nach dem Ursprung. Entstand der Asteroid in der Anfangsphase des Sonnensystems aus einem Gemisch aus lokalen Gesteinsbrocken und fernen Eiskörpern, die aus dem äußeren Sonnensystem kamen? Wie konnte das Eis dann die hohen Temperaturen unbeschadet überstehen? Oder wurde das Wassereis auf Ceres erst zu einer späteren und sehr aktiven Phase des Sonnensystems in Form von eisigen Kleinkörpern nachgeliefert? Spuren dieser späten „Bombardierungsphase“ zeigen sich heute noch als Krater auf dem Mond; wahrscheinlich wurde auch das Wasser in unseren Ozeanen erst in dieser Zeit von Kometen auf die Erde geliefert. Ceres könnte danach also “trocken” entstanden sein und erst etwa 700 Millionen Jahre später Wassereis erhalten haben.

Die Kugelform und der innere differenzierte Aufbau (mit Kern, Mantel und Kruste) sprechen eher für eine schnelle Entstehung in den Anfangszeiten des Sonnensystems. Es gibt aber noch eine dritte Theorie, die von einer Entstehung in größerer Entfernung von der Sonne und außerhalb der "Eisgrenze" ausgeht. Hierbei fehlt allerdings bisher eine überzeugende Lösung, wie dieser Asteroid dann ins Innere des Sonnensystems gewandert ist.

Eisobjekte werden in den nächsten Jahren mit der Rosetta-Mission (zum Kometen Tschurjumow-Gerasimenko), der DAWN Mission (zu Ceres) und der New-Horizons-Mission (zum Pluto-System) vermehrt in den Fokus der Forschung rücken und Ceres spielt als sonnennächster Eiskörper dabei eine wichtige Rolle. Thomas Müller ist gespannt: "Ceres könnte der Schlüssel sein, dass wir die Eis- und Wasserverteilung im Sonnensystem verstehen. Gleichzeitig steigt dieser größte Asteroid auch in die Kategorie der potentiellen Kandidaten für extraterrestrisches Leben auf, zusammen mit dem Jupitermond Europa und dem Saturnmond Enceladus. Wenn die DAWN-Mission der NASA 2015 bei Ceres ankommen wird, können wir mit weiteren Erkenntnissen rechnen, vielleicht auch zum Ursprung des Wassers in unserem Sonnensystem."

Diese Forschung ist Teil des Programms "Measurements of 11 Asteroids and Comets Using Herschel (MACH-11, PI: Laurence O' Rourke, ESA)". Im Rahmen dieses Programms nutzten die Astronomen das Herschel-Weltraumobservatorium um kleine Körper zu beobachten, die das Ziel von vergangenen oder zukünftigen Raumsonden sind.