Weltraumteleskop Herschel findet Wasser auf Ceres
Der Zwergplanet Ceres gibt Wasserdampf ins Weltall ab, das hat ein europäisches Forscherteam entdeckt. Wir haben den ESA-Forscher Michael Küppers zu dem Fund befragt, den er zusammen mit Kollegen in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazin Nature schildert. 1
Herr Küppers, Sie haben mit dem Herschel-Teleskop der ESA den Zwergplaneten Ceres ins Visier genommen. Was fasziniert Sie an diesem Mini-Planeten?
Ceres ist das größte Objekt im Asteroidengürtel. Dort umkreisen Millionen Objekte die Sonne. Das ist sozusagen Baumaterial, dass vor 4,5 Milliarden Jahren bei der Entstehung der großen Planeten übrig blieb. Bei diesem mehrstufigen Prozess ist Ceres ziemlich weit gekommen, sein Körper hat immerhin rund 1000 Kilometer Durchmesser. Wir wollen mehr über diese verhinderten Planeten lernen, auch weil unsere Erde sich aus solchen kleineren Körpern bei Kollisionen zusammengefügt hat. Dazu gehört auch die Frage, aus welchen Substanzen die Asteroiden bestehen und insbesondere, welche Rolle das Wasser bei ihrem chemischen Aufbau spielt. Hier kommen die Instrumente von Herschel ins Spiel.
Herschel hat sogar ein HIFI-Gerät an Bord?
Das stimmt, aber es geht dabei nicht um Musik. HIFI steht für Heterodyne Instrument for the Far-Infrared, es ist also ein Spektrometer. Besonders Wasser kann man damit sehr gut nachweisen. Wir haben es benutzt, um Ceres zwischen November 2011 und März 2013 zu untersuchen. Die letzte Messung datiert nur wenige Wochen vor der Einstellung des Betriebes von Herschel, wie geplant ging das Kühlmittel des Teleskops zur Neige (siehe: HIFI: Wassersuche im Weltall).
Was kam bei Ihren Beobachtungen heraus?
Ceres stößt Wasserdampf aus! Es ist der erste Kleinplanet, bei dem ein solches Verhalten direkt gemessen werden konnte. Die Aktivität geht von zwei Regionen aus, sie liegen auf gegenüberliegenden Seiten des Himmelskörpers. Außerdem zeigen Aufnahmen des Hubble-Teleskops: Diese beiden Regionen erscheinen im Infrarotlicht dunkel, wahrscheinlich wird dort der Wasserdampf ins Weltall abgegeben. Unseren Analysen zufolge verlassen pro Sekunde durchschnittlich sechs Kilogramm Wasserdampf die Ceres-Oberfläche. Nur ein Teil kann die Fluchtgeschwindigkeit von 520 Meter pro Sekunde überwinden und gelangt tatsächlich ins freie Weltall.
Wie kann man sich diese Dampfproduktion erklären?
Frühere Beobachtungen legten bereits nahe, dass Ceres unter seiner sichtbaren Oberfläche eine Zone aus gefrorenem Wasser verbirgt. Dieser Eismantel könnte an manchen Stellen bis an die Oberfläche reichen. Wenn sich Ceres nun auf seiner elliptischen Umlaufbahn der Sonne nähert, erwärmt sich das Eis auf der Oberfläche. Teile davon sublimieren, das heißt, das Eis verdampft ohne vorher zu schmelzen. Der Prozess wäre demnach ganz ähnlich wie auf einem Kometen. Außerdem gibt es Hinweise, dass Kometen in den Asteroidengürtel eingewandert sind. Unsere Beobachtungen stützen die Hypothese, dass es auch dort kometare Aktivität gib.
Könnte es noch eine andere Erklärung für den Dampf geben?
Es ist auch ein alternatives Szenario möglich: Demnach würde der Dampfausstoß durch geologische Prozesse im Innern von Ceres angetrieben, also durch Geysire oder Eisvulkane. Ähnliches wurde beim Saturnmond Enceladus beobachtet. Dieser Mond gibt nämlich ebenfalls Dampf und Eispartikel ab. Allerdings kann Ceres' Aktivität nicht wie bei Enceladus durch Wärme aus Gezeitenkräften erklärt werden, die von einem großen Planeten ausgeübt werden. Bei Enceladus ist Saturn dafür verantwortlich, für Ceres gibt es keine solche Quelle von Gezeitenkräften. Die innere Wärme müsste deshalb von langlebigen radioaktiven Isotopen aus der Frühphase von Ceres stammen. Ein vergleichsweise kleiner Körper wie Ceres müsste aber eigentlich längst ausgekühlt sein. Ich bin bei dieser Variante deshalb eher skeptisch.
Wie geht es mit der Erforschung von Ceres weiter?
Die Nasa-Sonde Dawn ist momentan auf dem Weg zu Ceres und soll im Frühjahr 2015 dort ankommen. Ceres soll dann mindestens ein halbes Jahr aus der Umlaufbahn beobachtet werden. Bezüglich der mit Herschel entdeckten Wasserdampfaktivität sind zwei Bordinstrumente Dawns wichtig: die Kamera und das Infrarot-Spektrometer – beide stammen übrigens aus Europa.
1Nature, 505, 23. Januar 2014
HIFI: Wassersuche im Weltall
Herschels HIFI-Instrument („Heterodyne Instrument for the Far-Infrared“) ist das empfindlichste je für das Ferne Infrarot gebaute Spektrometer. Es ist für elektromagnetische Wellen zwischen 157 und 625 Mikrometer Wellenlänge ausgelegt (1 Mikrometer entspricht 0,001 Millimeter). Diese Wellen sind für das menschliche Auge unsichtbar, sie sind über 1000-mal langwelliger als sichtbares Licht. HIFI wurde in internationaler Zusammenarbeit entwickelt, koordiniert vom niederländischen Institute for Space Research (SRON). Das Instrument ermöglicht die Messung zahlreicher Übergänge von Atomen und Molekülen, insbesondere wird es zur Suche von Wasser im Weltall eingesetzt. Bei der Konstruktion von HIFI mussten die Ingenieure technisches Neuland betreten. Da es keine Möglichkeit gibt, die feinen Frequenzstrukturen direkt im Infraroten zu registrieren, wandten sie einen Trick aus der Radiotechnik an: Die Frequenz des empfangenen Signals wird durch Überlagerung mit einer Referenzwelle in den Radiobereich verschoben, wo die weitere Signalverarbeitung erfolgt.
