Saturns Monde:

Enceladus

 


Die Bilderflut, die die Saturn-Mission Cassini seit 2004 zur Erde funkt, enthält Ansichten von berührender Schönheit. Hier der kleine Eismond Enceladus über Saturns Ringen. Die Cassini-Sonde befand sich zum Zeitpunkt der Aufnahme am 27. Oktober 2007 in einer Entfernung von 2,1 Millionen km von Enceladus, dessen erstaunliche Aktivität auf dem Bild freilich nicht zu erkennen ist.
Foto: NASA/JPL/Space Science Institute (PIA09786)

 

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10-07-2011

Last Update 11-08-2014

Ein kleiner Eismond prustet Gas und Wasser aus dem Südpol

Saturn-Trabant Enceladus erstaunt das Team der Cassini-Mission seit Jahren mit seiner Aktivität

 

Von Christel Heybrock

 

Mit rund 500 Kilometern Durchmesser hat er gerade mal so viel Oberfläche wie England oder Arizona, aber kein Himmelskörper im Sonnensystem reflektiert Licht so perfekt wie er: Enceladus, einer der mehr als 60 Monde des fernen Ringplaneten Saturn. Entdeckt wurde er 1789 von William Herschel, der zuvor auch den Saturn-Mond Mimas gefunden und beiden die Namen aufmüpfiger Riesen aus der griechischen Mythologie gegeben hatte. Riesig am Himmel sind sie allerdings nicht und aufmüpfig auch nicht, doch erstaunlich in anderer Hinsicht. Während Mimas die Wissenschaftler rätseln lässt, wie er einen Einschlag überleben konnte, der einen Krater von fast einem Drittel des Monddurchmessers hinterließ, verblüfft Enceladus mit ganz anderen Fähigkeiten.

 

Schon die Voyager-Sonden hatten vor fast dreißig Jahren seine nur von wenigen Einschlagskratern angeknackste eisige Oberfläche dokumentiert (immerhin herrschen in seiner Umgebung Temperaturen von minus 173 Grad Celsius) und die Frage aufgeworfen, ob Enceladus etliche Verletzungen womöglich durch Schmelzprozesse hatte „heilen“ können? Mittlerweile kurvt seit Sommer 2004 die NASA-Sonde Cassini im Saturn-System herum (sie hatte huckepack den ESA-Lander Huygens mitgebracht, der auf den Saturnmond Titan herabsegelte), und Cassini hat bei Enceladus eine weitere aufregende Entdeckung gemacht. Bei der Datenfülle, die die Sonde aus einer Entfernung von anderthalb Milliarden Kilometern Entfernung zur Erde funkt, hat es eine Weile gedauert, bis die Bildbearbeiter herausfanden, was bei Enceladus im Gange ist (an dem Bildbearbeitungsteam sind auch Wissenschaftler des Berliner DLR-Instituts für Planetenforschung beteiligt).

 



Enceladus in Ganzansicht
(oben): Das aus 16 Aufnahmen bestehende Mosaik entstand während des ersten Nah-Vorbeiflugs der Cassini-Sonde an dem Saturn-Mond am 17. Februar 2005. Die Nordpolregion (Norden ist oben) ist übersät mit Einschlagskratern in verschiedenen Stadien, während die Südhälfte von lang gezogenen Gräben (Sulci) und flachen Ebenen geprägt ist.
Foto: NASA/JPL/Space Science Institute


Ziemlich zerknittert sieht dagegen die Südpolregion von Enceladus aus (unten): Der kleine Mond prustet aus den "Tigerstreifen" erstaunliche Mengen Eis, Gas und Salzwasser heraus. Die Risse im Eis sind rund 130 km lang, 2 km breit und 300 Meter tief, der Südpol liegt in der Bildmitte. Das Bildmosaik wurde vom DLR-Institut für Planetenforschung aus Daten der Cassini-Sonde berechnet.
Foto: NASA/JPL/Space Science Institute/DLR

 

 

Die Kamera der Cassini-Sonde sammelte bereits im Januar 2005 sowie aus nahen Vorbeiflügen im Februar/März und Juli 2005 Daten, aus denen merkwürdige Sachverhalte deutlich wurden. Bei Enceladus scheint der Südpol die faszinierendste Region zu sein, während der Nordpol von alten Einschlagskratern in verschiedenen Verfallsstadien geprägt wird. Nicht nur, dass am Südpol die Temperaturen deutlich höher liegen als anderswo auf dem Mond (an bestimmten Stellen um etwa 90 Grad Celsius und natürlich immer noch tief unter Null) und dass die Oberfläche, von keinerlei Meteorkratern getrübt, offenbar viel jünger ist als in derNordpolarregion. Entdeckt wurden am Südpol auch seltsame parallele Streifen, von den Wissenschaftlern als „Tigerstreifen“ bezeichnet, die sich als Bruchlinien im Eis herausstellten. Und den großen Kick bekamen die Astronomen, als Cassini im November 2005 wieder an Enceladus vorbeiflog und die Kamera im Gegenlicht verfolgte, wie der kleine Mond an seinem Südpol direkt aus den Tigerstreifen  „feine Strahlen von Partikeln“ (DLR-Pressetext) ausstieß, die „sich weit ins All verfolgen lassen“. Das Spektrometer auf Cassini bewies: „Neben reinem, kristallinen und amorphen Wassereis finden sich dort auch Kohlendioxyd und organische Moleküle.“

 

Der Hausherr des E-Rings

 

Damit ist Enceladus, der seine Fontänen weiter ins All hinaus prustet, als sein eigener Radius misst, plötzlich zu einer der interessantesten Welten im Sonnensystem geworden und ein weiterer Beweis für die unglaubliche Diversität seiner Himmelskörper. Jedenfalls ist weit und breit kein zweites Objekt bekannt, das aus mehreren etwa 130 km langen und etwa 2 km breiten Öffnungen erstaunliche Materiemengen ins All pusten würde. (Wie sich 2008 herausstellte, sind die Risse etwa 300 Meter tief und haben V-förmige Innenwände. Zur besseren Unterscheidung erhielten vier „Tigerstreifen“ Namen arabischer Metropolen: Damascus Sulcus, Baghdad Sulcus, Cairo Sulcus und Alexandria Sulcus.)

 


 

Enceladus in Aktion: Im Februar 2005 beobachtete die Cassini-Sonde diesen Ausbruch von Materie aus dem Südpol des Saturn-Trabanten. Was im Schwarzweiß-Bild noch relativ unspektakulär wirkt, erweist sich in der Falschfarben-Bearbeitung als dramatisch (Doppelbild oben).
Fotos:
NASA/JPL/Space Science Institute (PIA07798)

 

Und das ganze Ausmaß von Enceladus' Aktivität zeigt die Falschfarben-Aufnahme unten vom 24. März 2006: Die Eis- und Gasfontänen aus dem Südpol des kleinen Mondes, der eben mal 505 km Durchmesser hat, strömen Hunderte von Kilometern ins All und hüllen Enceladus wie in eine Wolke ein. Manche Partikel entweichen noch weiter in die Umgebung und formen sich zu einem eigenen Saturn-Ring - der helle Streifen oben ist einTeil des von Enceladus gefütterten E-Rings.
Foto: NASA/JPL/Space Science Institute (PIA 08226)


 

Die Cassini-Forscher hatten sich schon 2004 bei der Ankunft der Sonde im Saturn-System gewundert über ein relativ hohes Sauerstoffvorkommen in der Umgebung – wo kam gerade dieses Gas nur her? Dafür scheint vor allem Enceladus zu sorgen. Die Wassermoleküle, die er aus seinem warmen Südpol herauspresst, zerfallen in Wasserstoff- und Sauerstoff-Atome, soweit sie in der unwirtlichen Umgebung nicht sofort zu Eis gefrieren. Überhaupt scheint Enceladus, der innerhalb des äußersten Saturnrings (des E-Rings) alle anderthalb Tage in fast vollkommener Kreisbahn um seinen Herrn und Meister herumfegt, für eben diesen Ring verantwortlich zu sein, indem er ihn mit seinen Eisbröckchen versorgt. Wie die Cassini-Mission bereits 2005 feststellte, ist der Mond nämlich von einem riesigen Halo aus Eisstaub und Gas umgeben; auf seinem Orbit um Saturn gehen Partikel davon ständig verloren und formen sich zum Materie-Ring.

 

Zwei Dinge machen Enceladus also zu etwas ganz Besonderem: dass er offenbar flüssiges Wasser unter seiner Oberfläche beherbergt und dass er geologisch aktiv ist. Die Liste geologisch aktiver Körper im Sonnensystem ist nicht sehr lang. Die Erde zählt dazu (ob die riesigen Vulkane auf der Venus noch arbeiten, lässt sich immer noch lediglich vermuten), es zählen ferner der Jupitermond Io dazu – den seine eigenen Vulkane fast zerreißen – sowie der riesige Neptunmond Triton. Und nun Enceladus! Und auch die Sache mit dem Wasser: auf dem Mars hat es einst die reinsten Sturzfluten gegeben und bislang weiß niemand, wohin sie verschwunden sind. Auf dem Erdmond ist etwas Wasser im Gestein gebunden. Der Jupitermond Europa birgt vielleicht einen ganzen Ozean unter einer Kilometer dicken Eiskruste. Sie alle können aber mit Klein-Enceladus nicht konkurrieren, denn sein unter"irdisches" Wasserreservoir führt zu einem spektakulären Verhalten, wie es sonst nirgends im Sonnensystem vorkommt. Dass der vermutete interne Ozean tatsächlich existiert, wurde bestätigt, als die Wissenschaftler Daten eines Radioexperiments der Jahre 2010 und 2012 auswerteten. Dabei war Cassini zweimal in einer Höhe von weniger als 100 km am Südpol und einmal am Nordpol vorbeigeflogen - die Messungen zeigten am Südpol Schwerefeld-Abweichungen, die auf eine Besonderheit im inneren Aufbau des kleinen Mondes schließen lassen: Sein Kern besteht zwar aus Felsmaterial, umgeben von einer dicken Eisschicht. Zwischen Fels und Eis schwappt am Südpol aber in einer Tiefe zwischen 30 und 40 km - ein Ozean aus Wasser.

 

 


Eine Temperaturkarte von Enceladus zeigt, dass die Energie in den Tigerstreifen nicht ganz so verläuft, wie Oberflächenaufnahmen im sichtbaren Licht vermuten lassen. Offenbar bilden die Wärmezonen regelrechte Delta-Fransen, wie hier die farbkodierten Ausläufer von Cairo Sulcus (links) und Alexandria Sulcus (rechts) zeigen. Fasziniert sind die Wissenschaftler auch von einem isolierten Wärmefleck oberhalb links von Cairo Sulcus, dessen Rätsel bisher nicht gelöst ist. Die Aufnahme geht zurück auf Daten des Komposit-Infrarotspektrometers der Cassini-Sonde anlässlich eines Vorbeiflugs an Enceladus am 13. August 2010.
Foto: NASA/JPL/GSFC/SWRI/SSI (PIA13621)

 

Übrigens entstand eine Diskussion unter Wissenschaftlern über der Frage: Spuckt Enceladus eigentlich immer oder macht er das nur zeitweise? Immerhin scheint ihm ja nicht kontinuierlich die exakt gleiche Menge an Eispartikeln und Wasserdampf zu entweichen, wie die zahlreichen Vorbeiflüge der Cassini-Sonde ergaben. Hat die Mission einfach nur Glück, indem sie ihn just in einer aktiven Phase erwischt hat? Paul Schenk, Planetologe am Lunar and Planetary Institute in Houston/Texas, ist überzeugt, dass Enceladus seine Geysire schon seit 100 Millionen Jahren empor zischen lässt. Die Eiskristalle nämlich, die auf den Mond zurückfallen, haben sich Schenks Berechnungen zufolge bis zu 125 m dicken Schichten aufgetürmt, und sie wachsen angeblich nur etwa 1 mm alle 1500 Jahre. Schenk trug seine Erkenntnisse, gewonnen aus Cassini-Bildern einerseits und aus Computersimulationen der Jet-Aktivitäten andererseits, am 3. Oktober 2011  auf einem Kongress in Nantes/Frankreich vor. Schenks Studie widerspricht keineswegs einer Vermutung, die Wissenschaftler schon länger hegten und die sich 2013 bestätigte, als Matt Hedman von der Cornell University in Ithaca/New York und seine Team-Kollegen die Ergebnisse ihrer eigenen Untersuchungen in der Zeitschrift Nature veröffentlichten: Demzufolge öffnen sich die Tigerstreifen umso weiter und lassen umso mehr Materie hervorzischen, je weiter Enceladus auf seinem leicht exzentrischen Orbit von Saturn entfernt ist. Wenn er ihm wieder näherkommt, werden die Öffnungen von Saturns enormer Gravitation offenbar zusammen gequetscht und der Materieausstoß verringert sich. Dass die Intensität der Jets sich nun ziemlich präzise vorher sagen lässt, ist der Auswertung von Daten zu verdanken, die Hedman und sein Team aus über 200 Enceladus-Bildern der Jahre 2005 bis 2012 gewannen.

 

Woher nimmt Enceladus die Wärme?

 

Nun kann ein so kleiner Himmelskörper Temperaturen, die flüssiges Wasser möglich machen in einer Umgebung, in der Eis so hart wird wie Stein, unmöglich in seinem Innern erzeugen, und die große Entfernung von der Sonne dürfte Enceladus’ Südpol auch nicht eben zum Schmelzen bringen. Wo kriegt er die Wärme her? Immerhin ringt er sich enorme Energien ab, NASA-Wissenschaftler stufen ihn geradezu als Kraftwerk ein. Bombardierten seine Eispartikel den Staubdetektor der Cassini-Sonde bei den Vorbeiflügen 2008 und 2009 mit der bemerkenswerten Geschwindigkeit von bis zu 17,5 km pro Sekunde (das sind bis zu 63.000 Stundenkilometer!), so belaufen sich Berechnungen, die 2011 auf einer Tagung der Enceladus Focus Group der NASA vorgestellt wurden, auf unglaubliche 16 Gigawatt, die seine Hot Spots und Fontänen zur Zeit abstrahlen; dabei gehen allein an Wasser in jeder Sekunde rund 200 Kilogramm „verloren“, und die Cassini-Forscher rechnen seine Energie mit der Produktion von „20 Kohlekraftwerken“ auf. Bei einem Vorbeiflug 2010 registrierte der UV-Bildspektrograph auf der Cassini-Sonde, dass aus den Rissen am Südpol zeitweise Gas in fünf- bis achtfacher Überschallgeschwindigkeit hervorschoss. Es gibt eine Menge Erklärungen für diese spektakulären Leistungen, aber nicht einmal alle zusammen ergeben einen plausiblen Beweis.

 


Enceladus entwickelt an seinem Südpol eine unerwartete Energie von rund 15,8 Gigawatt. Das sei, so die Cassini-Forscher, die mehr als zweieinhalbfache Menge, die alle Geysire der Yellowstone-Region aufbrächten. Oder 20 Kohlekraftwerke.
Grafik: NASA/JPL/SWR/SSI (PIA13891)

 

So könnte sich im Innern ein natürlicher radioaktiver Zerfall abspielen, der zur Wärmeentwicklung führt: Als sich bei der Entstehung des Sonnensystems auch Enceladus formte, könnte er größere Felsbrocken mit radioaktiven Elementen erwischt haben. Nur ist der kleine Kerl gar nicht groß genug, um diesen Vorgang bis heute nutzen zu können, die Energiequelle müsste längst erloschen und Enceladus abgekühlt sein. Wirksamer sind da die Gezeitenkräfte. Enceladus ist schließlich nicht allein mit dem großen Saturn, es zerren auch seine Nachbarmonde Mimas, Tethys und Dione an ihm herum. Außerdem – so perfekt scheinbar seine Umlaufbahn um Saturn ist, ganz kreisförmig ist sie nicht, und wenn Enceladus etwas näher an Saturn dahinfliegt, wird er durch dessen enorme Gravitation etwas zusammengepresst und im weiteren Umlauf wieder gedehnt. Durch diese Gezeitenreibung könnten die Risse am Südpol nicht nur entstanden, sondern dauerhaft geworden sein. Berechnungen zeigen, dass sie sich jedes Mal mehrere Dezimeter öffnen und wieder schließen, was den inneren Reibungseffekt durch einen äußeren verstärkt. Der Planetologe und Eismond-Spezialist Terry A. Hurford vom NASA Goddard Space Flight Center und seine Kollegen, die bereits Gezeitenkräfte als Ursache der Tigerstreifen angenommen hatten, konnten im März 2012 auf der Lunar and Planetary Science Conference in Texas Details vorlegen, nachdem sie Baghdad Sulcus und Damascus Sulcus als die Tigerstreifen mit den wärmsten Fontänen untersucht hatten. Daraus ergab sich, dass die Tigerstreifen dann am weitesten auseinander gezogen werden, wenn Enceladus eben den engsten Abstand zu Saturn durchflogen hat - eine Schlussfolgerung, die aber 2012 durch Cassini-Wissenschaftler Matt Hedman widerlegt und ins Gegenteil verkehrt wurde (siehe oben). Dass aber darüber hinaus die Risse während des gesamten Saturn-Orbits immer wieder auch gegeneinander verschoben werden und der kleine Mond  regelrecht duchgewalkt wird, daran besteht kein Zweifel.

 

Eine Unsicherheit war jedoch  früher entstanden, als die Wissenschaftler eine Karte der Gravitations-Zugstellen mit einer Karte der Warmzonen kombiniert hatten: keine Übereinstimmung! Der Damascus-Sulcus-Riss als der größte „Tigerstreifen“ liegt etwa 50 km von der Zone mit der höchsten Temperatur entfernt. Eine rettende Idee kam von anderen Kollegen: Enceladus wackelt ein bisschen, man nennt das „Libration“, ein im All weit verbreitetes Phänomen, das man sich als Erdenbewohner dennoch schwer vorstellen kann. Es ist wie das Schwanken eines Luftballons, wenn man ein wenig an der Leine ruckelt: nur schweben die Himmelskörper auf ihren Bahnen frei im luftleeren Raum, und ein dauerhafter „Wobble“ wird verursacht, wenn beispielsweise zwei Körper kollidiert sind oder aber, wie bei Saturn und Enceladus, ein großer Körper stellenweise Zug auf einen kleinen ausübt. Bei Enceladus kommt hinzu, dass er auch noch von seiner weiter außen dahin ziehenden, größeren Schwester Dione beeinflusst und er zwischen Saturn und ihr leicht in die Zange genommen wird. (Es gehört zu den wunderbaren Harmoniegesetzen der Himmelsmechanik, dass Enceladus und Dione sich in einem Resonanzverhältnis befinden – während Dione einmal den Saturn umrundet, schafft Enceladus es just zweimal.)

 

Was nun die Libration des prustenden kleinen Eismondes betrifft: sie ist zwar sehr gering, aber die Cassini-Daten lassen immerhin 2 Grad Abweichung von einer Idealhaltung erkennen, und die Zugkraft von Saturn drückt auch die eigentlich perfekte Kugelform von Enceladus ein wenig zusammen. Computersimulationen zeigten: rechnet man die Libration ein, dann klappt die Sache! Wärmezonen und Quetschzonen stimmen dann nicht nur überein, sondern die Libration bringt auch ein fünfmal so hohes Temperaturergebnis, als wenn man sie nicht berücksichtigt. Vielleicht ist damit das Geheimnis von Enceladus ja schon gelüftet und er birgt tatsächlich einen dauerhaften Ozean mit Leben im Innern?

 

Ein Salzmeer im Innern?

 

Der Verdacht, dass da wirklich eine Menge flüssiges Wasser in ihm schwappt, wurde auch von dem Heidelberger Astrophysiker Frank Postberg in mehreren Fachartikeln erhärtet. Es hatte bereits eine große Aufregung gegeben, als Postberg 2009 publizierte, der von Enceladus gefütterte E-Ring, der breiteste und zugleich unscheinbarste Saturnring, enthalte ein wenig Natriumchlorid, also Kochsalz. Hat der Eismond einen mineralischen Kern, aus dem solche Komponenten (zwangsläufig durch den Kontakt mit Wasser) herausgelöst und in die Gegend geblasen werden? Kollegen, die nicht direkt mit Enceladus befasst waren, schienen zunächst skeptisch und argumentierten, Enceladus könne Salze, Dampf und Gase auch ohne inneren Ozean durch seine Tigerstreifen herauspressen. Im Jahr 2011 dann Postbergs Durchbruch: Er konnte beweisen, dass nahe an den Tigerstreifen die Fontänen besonders reich an Natrium- und Kaliumsalzen sind, dass die Salzpartikel aber wegen ihres größeren Formats nur in geringer Anzahl die Schwerkraft von Enceladus überwinden können (seine Fluchtgeschwindigkeit beträgt 240m/sec) und der E-Ring daher weniger salzreich ist. Offenbar enthalten praktisch alle Partikel, die der kleine Mond aus den Öffnungen am Südpol ausschleudert, Salze in beachtlicher Konzentration. Ohne ein unterirdisches Salzmeer, das in Kontakt mit salzhaltigem Gestein ist, wäre das Phänomen undenkbar. 

 

Die Eis- und Gaseruptionen sorgen sogar für eine Atmosphäre am Südpol, aber die Prusterei von Enceladus hat nicht nur Auswirkungen auf ihn selber, indem ein großer Teil der ausgespuckten Eisbröckchen auf seine Oberfläche zurückfällt und ihn dadurch zum hellsten Objekt im Sonnensystem macht. Vor allem die kleineren Materiepartikel „wandern“ auch noch in einem komplizierten Prozess zum großen Bruder Titan und sogar bis zu Saturn selber, und das könnte sich laut Computermodellen der Cassini-Wissenschaftler John Cooper und Edward Sittler folgendermaßen abspielen:

 

Geladene Strahlungsteilchen aus Saturns Magnetsphäre regnen zunächst auf Enceladus herab und brechen dort per Radiolyse Moleküle auf. Durch die damit verbundenen Schmelzprozesse sinken die beschädigten Moleküle allmählich ins Innere (was auch durch Meteoriteneinschläge passieren kann) und die geschmolzene Eisdecke schließt sich wieder. Wenn die Partikel unter der Oberfläche mit Ammoniak, mit Methan und anderen Kohlenwasserstoffen zusammentreffen, werden explosive Gase gebildet, die sich in cryovulkanischen Ausbrüchen entladen, wie sie eben bei Enceladus beobachtet werden, denn was er ins All spuckt, sind außer Wassereis auch Gase. Die aufgebrochenen Wassermoleküle von Enceladus können sogar die Titan-Atmosphäre erreichen und werden dort von Fullerenen geschnappt, das sind kugelförmig angeordnete Moleküle aus Kohlenstoffatomen, die zu größeren Komplexen kondensieren, sich an polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe anhängen und auf Titans Boden sinken. Dieser Vorgang schützt den raren, in Titans oberer Atmosphäre zirkulierenden Sauerstoff, der sich sonst zu Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid verbinden würde.

Faszinierender noch ist Enceladus’ Rolle aber in Bezug auf Saturn, der nicht nur Herr etlicher Ringe ist, sondern auch einen 2009 vom Spitzer Weltraum-Teleskop entdeckten Torus aus Gas und Staub hat, einen ringförmigen Wulst, der sich, um 27 Grad gegen Saturns Äquatorebene geneigt, in sechs bis 12 Millionen km Entfernung um den Ringplaneten herum zieht. Dieser im optischen Licht kaum sichtbare Materieschlauch, bei seiner Entdeckung zunächst als weiterer diffuser „Ring“ bezeichnet, speist sich zwar aus mehreren Quellen, zum einen aus dem Wasserstoff in Saturns eigener oberer Atmosphäre, zum andern aus Staubteilchen von Meteoriteneinschlägen auf Saturns äußeren kleinen Monden – aber auch aus den Wasserdampf-Partikeln von Enceladus. Der Torus scheint erheblich größer zu sein, als zunächst angenommen, atomarer Sauerstoff (O) wurde noch in einer Entfernung von 25 Saturn-Radien gefunden, so dass der Torus fast einer astrophysikalischen Akkretionsscheibe ähnelt.


Saturn und sein Magnetfeld als vereinfachtes Schema. Der riesige Gasplanet (linke Bildhälfte) ist von seinen Feldlinien wie von schützenden Kapseln umschlossen. Wie die Cassini-Wissenschaftler anhand von drei nahen Vorbeiflügen an Enceladus im Jahr 2005 feststellten, verbiegt der kleine Eismond mit seiner Atmosphäre deutlich die Struktur des Magnetfelds, weil die von Enceladus ausgestoßenen Teilchen mit der Saturn-Magnetosphäre interagieren.
Grafik: NASA/JPL (PIA06430)

Enceladus reichert außerdem nicht nur den Torus an, sondern wirkt sich auch noch auf Saturns gesamtes Magnetfeld aus, das bis zum Riesenmond Titan reicht. Enceladus befindet sich mitten drin auf einer Feldlinie zwischen Saturn-Nord- und -Südpol. Die von Enceladus ausgespuckten Wassermoleküle werden unter anderem von der Sonnenstrahlung aufgebrochen und ionisiert, so dass sie von Saturns Magnetfeldlinien eingefangen werden. Dort sausen sie dann zwischen Nord- und Südpol so lange hin und her, bis einige von ihnen gelegentlich weiter nach innen zu Saturn hin geraten und auf dem A-Ring landen (nachdem sie ja ohnehin schon den E-Ring füttern). 100.000 km von Enceladus entfernt, hat der A-Ring laut William Farrell vom Goddard Space Flight Center in Greenbelt/Maryland eine direkte Verbindung zu dem fleißigen Wasserspucker. Enceladus, so Farrell, reichere das ganze Saturn-Magnetfeld mit seinem Plasma an, so dass sich eine Art Wolke um den großen Ringplaneten bilde, die vom A-Ring absorbiert werde.

Schon 1990 wiesen Beobachtungen durch das Hubble Weltraumteleskop auf einen unbekannten Körper mit Wassermolekülen hin, angesiedelt offenbar in einer Entfernung von 240.000 km zu Saturn: Wie wir heute wissen, waren das die ersten Spuren von Enceladus! Wie sich im Juli 2011 herausstellte, ist Enceladus die Hauptquelle für das Wasservorkommen in Saturns oberer Atmosphäre. Paul Hartogh vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Katlenburg-Lindau und die Mitautoren seiner Studie nutzten für diesen Nachweis nicht die Cassini-Sonde, sondern die Infrarot-Detektoren des riesigen Weltraumteleskops "Herschel". Wenn sie in ihrem Papier vom "Enceladus-Torus" sprechen, dann handelt es freilich nicht um den weit außen im Saturnsystem liegenden Staub-Torus, sondern um die Wolke im E-Ring, mit dem Enceladus herumsaust. Die "Herschel"-Beobachter haben zwar keine Auswirkungen von Enceladus auf Titan gefunden (die waren bereits vermutet worden), aber dennoch sind die Ausmaße der von ihnen beobachteten Wasserdampf-Ansammlung gewaltig: Der Wasser-Torus hat einen Durchmesser von 600.000 km und ist 60.000 km dick. Eine Kombination von Herschel-Daten mit den Ergebnissen einer Computersimulation zeigt, dass zwar der Großteil der Wassermoleküle in den Weltraum verloren geht, dass aber die drei bis 5 Prozent, die sich auf Saturns Ringen niederlassen und dort gefrieren, nach und nach in seine Atmosphäre eindringen können und für genau die bisher beobachtete Wassermenge bei Saturn sorgen. Nicht nur deshalb scheint Enceladus der einzige Mond im Sonnensystem zu sein, der so entscheidende Auswirkungen auf seinen Mutterplaneten hat.

Enceladus und Saturn - elektrisch verbunden


Ein elektrischer Strom verbindet Enceladus mit Saturn. Der "Fußabdruck" der von Enceladus ausgehenden Energie wurde als ein im UV-Licht schwach leuchtendes Feld außerhalb von Saturns Aurora-Zone identifiziert (hier als roter Kranz rund um Saturns Nordpol). Enceladus befindet sich auf einer Feldlinie des komplexen Saturn-Magnetfelds, so dass geladene Teilchen zwischen Saturns Nord- und Südpol hin und her sausen, bis einige von ihnen irgendwann nach innen abgelenkt und von Saturns A-Ring absorbiert werden.
Grafik: NASA/JPL/JHUAPL/University of Colorado/Central Arizona College/SSI (PIA13765)

Aber wen wundert es, dass ein elektrischer Strom auch noch die Magnetlinien des großen Planeten direkt mit dem kleinen Eismond verbindet! In Saturns Polarregionen verursachen die Elektronen von Enceladus Flecken, die in UV-Licht leuchten. Das klingt simpel, ist es aber nicht, denn Saturns Polarlichter, die wie bei der Erde vom Aufprall geladener Sonnenwind-Teilchen auf die Saturn-Atmosphäre hervorgerufen werden, haben gar nichts damit zu tun. Der 2008 entdeckte Energiestrom zwischen Enceladus und dem  240.000 km entfernten Saturn trifft außerhalb der Aurora-Zone auf Saturn und nimmt auf seinem 65. Breitengrad eine Fläche von 1200 mal 400 km in Anspruch. Auf dem hellsten Bild des Cassini-Magnetsphären-Detektors MIMI hatte der im UV-Licht sichtbare „Fußabdruck“ des Energiestroms eine Intensität von etwa 1,6 Kilorayleigh, das ist nicht viel und entspricht dem schwächsten, eben noch erkennbaren Polarlicht auf der Erde, aber der ganze Vorgang zeugt von der verblüffenden Komplexität von Saturns Magnetfeld und den Wechselwirkungen mit seinen Monden, die am Beispiel Enceladus erstmals sichtbar und hörbar gemacht werden konnten, denn die Cassini-Sonde nahm auch deutliche Zischtöne auf.

Dass die Wissenschaftler mit ihrem heftigen Plädoyer für die Verlängerung der Cassini-Mission, die eigentlich im Sommer 2008 enden sollte, Erfolg hatten, ist freilich nicht nur Enceladus, sondern dem abenteuerlichen Saturnsystem insgesamt zu verdanken, das nun bis 2017 weiter erforscht werden kann. Die ganz kühne Vorstellung freilich, dass Cassini nur die Vorläufermission für eine Sonde wäre, die auf Enceladus’ Südpol landen könnte, liegt angesichts der maroden NASA-Finanzen noch sehr im Ungewissen. Aber wahrscheinlich kommen die Wissenschaftler erst mithilfe eines Landers hinter das Geheimnis, was da im Innern des kleinen Eistrabanten vor sich geht. Nach mehr als sechs Jahren Datensammlung und Daten-Auswertung (Stand 2011) ist nämlich immer noch kein Durchbruch da in Bezug auf den Mechanismus und die genauen geologischen Formationen unter der Oberfläche der Tigerstreifen. Immerhin konnten Wissenschaftlerin Carolyn Porco und das Cassini Imaging Team nach langem Brüten über 2010 gewonnenen Daten bereits 101 aktive Geysire am Enceladus-Südpol lokalisieren und sogar eine Karte erstellen. Das Auftreten der Fontänen stimmt dort zwar mit den Wärmefeldern überein, aber es scheint nicht die Wärme zu sein, von der die Geysire verursacht wird, sondern umgekehrt - die Geysire, die aus einer größeren Tiefe (nämlich dem fast sicheren Tiefenozean) stammen müssen, führen zu einer Erwärmung der entsprechenden Stellen.

 


Deutlich entlang der vier Tigerstreifen zischen Fontänen aus Enceladus' Südpol hervor - auf dieser 3D-Triangulation sind es 98 von 101 (die Lokalisierung von drei Fontänen war zu ungenau). Das Modell wurde von Carolyn Porco und ihrem Cassini Imaging Team erstellt.
Foto: NASA/PIA 17186

 

Derweil beben die Astrobiologen förmlich vor Erwartung, Enceladus’ internes Flüssigwasser-Reservoir könne ein Ort für lebende Mikroorganismen sein. Jedenfalls wurde der kleine Mond im Mai 2011 auf einer Tagung der Enceladus Focus Group am SETI Institut in Mountain View/California als der „habitabelste“ Himmelskörper im Sonnensystem nach der Erde eingeschätzt, nicht einmal der erdähnliche Mars kann mit so lebenswichtigen Voraussetzungen aufwarten: mit flüssigem Wasser, Kohlenstoff, Ammoniak (als Verbindung von Stickstoff und Wasserstoff), Salzen und vor allem einer Energiequelle. Allerdings sind die Instrumente der Cassini-Sonde nicht dazu eingerichtet, Biomarker in Form komplexer Moleküle zu entdecken, die womöglich in den Fontänen vorhanden sind. Vor allem das Verhältnis der beiden stabilen Kohlenstoff-Isotope C-12 und C-13  könnte einen Hinweis auf lebende Organismen geben. Die bisher bekannten biologischen Prozesse tendieren zu C-12 als dem leichteren Isotop; wenn also in Enceladus-Methan, Ethanol oder Acetat reichlich C-12 entdeckt würde, wäre das ein deutlicher Hinweis auf lebende Organismen.

 

Zukunftsplan: der Enceladus Explorer


Während die NASA mit Finanzproblemen kämpft und Missionen streichen muss, die in der Planung bereits weit fortgeschritten sind, kommen neue Initiativen aus Deutschland. Ursprünglich war es nur ein Studentenprojekt der Fachhochschule Aachen: ein IceMole, ein Maulwurf, der sich durchs Eis gräbt, beziehungsweise eine Sonde, die sich durchs Eis hindurchschmilzt, bis sie an dem Ort anlangt, der Wissenschaftlern das Herz schneller klopfen lässt - an jenem vermuteten Salzsee im Innern von Enceladus, in dem womöglich lebende Mikroorganismen schwimmen. Das Projekt hat inzwischen die Grenzen der FH Aachen überschritten und ist zu einem Verbund aus sieben Institutionen geworden, von denen jede ihre Möglichkeiten beisteuert, vor allem das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) fördert die "EnEx"-Mission, den Enceladus Explorer. An der Entwicklung beteiligt sind mittlerweile Wissenschaftler der Bundeswehr-Universität in München, der TU Braunschweig, der Rheinisch-Westfälischen TH Aachen, der Bergischen Universität Wuppertal und der Uni Bremen. Dabei entwirft die Bundeswehr-Universität München das Szenario für den Einsatz der Sonde, während die anderen Institute unter Federführung des Fachbereichs Luft- und Raumfahrttechnik der FH Aachen die Sonde selber erarbeiten. Das Unternehmen ist so weit gediehen, dass der IceMole im Februar 2012 bereits auf dem Morteratsch-Gletscher im schweizerischen Kanton Graubünden erfolgreich getestet wurde. Weitere Tests in der Antarktis sollen folgen, dort soll der Maulwurf selbständig zu einer Eisspalte navigieren und eine Wasserprobe aus einem See unter einem Gletscher holen.

 

Vor allem zwei Dinge müssen perfekt funktionieren: Die Sonde muss Wasserproben entnehmen, ohne irgend etwas dabei zu kontaminieren - sonst würden die Ergebnisse hoffnungslos verfälscht. Und sie muss selbständig ihren Weg durchs Eis finden, wobei sie möglicherweise noch Hohlräumen oder eingeschlossenen Gesteinen ausweichen muss. Das setzt komplizierte Navigationsleistungen voraus, wie das DLR in einer Pressemitteilung formlierte: Die Sonde soll "auf dem Weg zum Wasser fortlaufend ihre Lage und Position bestimmen, den Abstand zum Ziel messen, einen optimalen Weg errechnen, dabei Reichweite und Energieaufwand mit in die Rechnung einbeziehen" und diese Daten zur Oberflächenstation senden. Die ganze Mission des "Enceladus Explorer" soll also aus zwei Komponenten bestehen, der Basisstation, mit der die Energieversorgung gewährleistet wird, und dem IceMole selber, der durch ein Kabel mit der Basisstation verbunden bleibt und von ihr auch Befehle bekommen kann.

 

Der IceMole selber soll sich 100 bis 200 Meter tief bis zu einem Flüssigwasser-Reservoir durchschmelzen, denn nur in Enceladus' unterirdischem Wasservorkommen könnten Mikroorganismen überleben. In dem Augenblick, in dem Wasser durch die Tigerspalten nach oben steigt und explosionsartig verdampft, würden lebende Zellen zerplatzen - und nur das hinterlassen, was die Cassini-Sonde bisher gefunden hat: organische Verbindungen. Leben im Innern eines fernen kleinen Mondes? Es bleibt spannend...

 


Enceladus aus anderthalb Millionen km Entfernung über den Ringen von Saturn. Birgt der kleine Mond lebende Organismen unter seiner Eiskruste? Die Cassini-Kamera nahm das Foto am 11. Februar 2010 auf.
Foto: NASA/JPL/Space Science Institute (PIA12600)


 

Infos:

- Fotokatalog mit über 300 Aufnahmen der Cassini-Mission u.a.:

http://photojournal.jpl.nasa.gov/target/Enceladus?start=0

 

- Frank Postbergs Studie zum vermutlichen Salzmeer im Innern von Enceladus:

http://www.rzuser.uni-heidelberg.de/~b53/postberg.htm

http://www.jpl.nasa.gov/news/news.cfm?release=2011-190&cid=release_2011-190

http://www.nature.com/news/2011/110524/full/news.2011.316.html

http://www.nature.com/nature/journal/v474/n7353/full/nature10175.html

 

- Enceladus als heißester Ort für außerirdisches Leben:

http://www.nature.com/news/2011/110531/full/news.2011.337.html

 

- Enceladus als Kraftwerk:

http://saturn.jpl.nasa.gov/news/newsreleases/newsrelease20110307/

 

- Gezeitenkräfte quetschen und dehnen Enceladus:
http://www.nature.com/nature/journal/v447/n7142/full/nature05821.html
Hurford, T.A., P. Helfenstein, G.V. Hoppa, R. Greenberg, B.G. Bills: "Eruptions arising from tidally controlled periodic openings of rifts on Enceladus", Nature 2007, 447, 292-294.

http://www.nature.com/nature/journal/v500/n7461/full/nature12371.html

Hedman, MM., Gosmeyer, C.M., et al.: "An observed correlation between plume activity and tidal stresses on Enceladus", Nature 2013, 500, 182-184

Pressemitteilung 13-241 der NASA: http://www.nasa.gov/mission_pages/cassini/whycassini/cassini-sees-forces-controlling-enceladus-jets/

 

- Elektrischer Strom zwischen Enceladus und Saturn:

http://saturn.jpl.nasa.gov/news/newsreleases/newsrelease20110420/

 

- Wärmegewinnung durch Libration: http://saturn.jpl.nasa.gov/news/cassinifeatures/feature20101006/

 

- Wie kommt Sauerstoff von Enceladus zu Titan? http://saturn.jpl.nasa.gov/news/cassinifeatures/feature20100701/

 

- Kochsalz von Enceladus in Saturns E-Ring:

http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=43954

 

- Enceladus als Wasserquelle für die Saturn-Atmosphäre:

http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=48988

Paul Hartogh et al: "Direct detection of the Enceladus water torus with Herschel", Astronomy & Astrophysics, 532, 2011: http://www.aanda.org/index.php?option=com_article&access=doi&doi=10.1051/0004-6361/201117377&Itemid=129 

 

- Enceladus spuckt seit 100 Millionen Jahren (Untersuchung von Paul Schenk et al.):

http://www.nature.com/news/2011/111003/full/news.2011.569.html

 

- Enceladus und der A-Ring:

http://saturn.jpl.nasa.gov/news/cassinifeatures/feature20080205/

Studie von William Farrell et al. „Mass unloading along the inner edge of the Enceladus plasma torus”, Geophysical Research Letters 23. Januar 2008: http://www.agu.org/pubs/crossref/2008/2007GL032306.shtml

- Lokalisierung der Geysire am Südpol:
Artikel von Carolyn Porco et al. im Astronomical Journal 2014:
http://dx.doi.org/10.1088/0004-6256/148/3/45  und http://dx.doi.org/10.1088/0004-6256/148/3/46

- Geplante Mission "Enceladus Explorer":
http://www.dlr.de/dlr/desktopdefault.aspx/tabid-10081/151_read-2751/

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