Pluto und andere Kuipergürtel-Objekte begannen mit Wasserozeanen und sind seit Milliarden von Jahren langsam fest geworden
Es scheint unwahrscheinlich, dass ein Ozean auf einer Welt bestehen könnte, die der Sonne nie näher als 30 astronomische Einheiten kommt. Aber das ist bei Pluto der Fall. Es gibt Hinweise darauf, dass es einen unterirdischen Ozean zwischen 100 und 180 km Dicke an der Grenze zwischen Kern und Mantel hat. Sonstiges Kuipergürtel-Objekte kann ähnlich sein.
Aber für diese vergrabenen Ozeane, die eines Tages zu Eis werden werden, könnte die Zeit davonlaufen.
Lange Zeit drehte sich beim Nachdenken über Plutos Ozean eine Frage: Wie hat Plutos Ozean bis heute überlebt? Eingebettet in diese Frage ist das akzeptierte Szenario für Plutos Entstehung: Der Eiszwerg entstand als gefrorene Kugel aus Eis und Gestein. Ein Teil dieses Gesteins zerfiel radioaktiv, wobei genügend Wärme freigesetzt wurde, um einen Teil des Eises zu schmelzen, wodurch ein unterirdischer Ozean entstand, der mit einer Eisschicht bedeckt war.
Aber eine neue Studie fordert Astronomen auf, Plutos Ursprünge zu überdenken.
Die neue Studie trägt den Titel „ Beweise für einen heißen Start und eine frühe Ozeanformation auf Pluto. ” Der Hauptautor ist Carver Bierson, ein Doktorand an der University of California, Santa Cruz. Das Papier ist in der Zeitschrift Nature Geoscience veröffentlicht.
Dieses „Heißstart“-Szenario besagt, dass Pluto nicht als gefrorener Ball begann und dann seinen Ozean entwickelt hat. Stattdessen erzeugte die Ansammlung von Material während der Entstehung von Pluto genug Wärme, um den Ozean zu erzeugen, als der Zwergplanet selbst erschaffen wurde. Und trotz Plutos großer Entfernung von der Sonne besteht dieser Ozean seit Milliarden von Jahren.
Dieses Schnittbild von Pluto zeigt einen Schnitt durch das Gebiet von Sputnik Planitia, wobei dunkelblau einen unterirdischen Ozean und hellblau die gefrorene Kruste darstellt. Artwork von Pam Engebretson, mit freundlicher Genehmigung der UC Santa Cruz.
In diesem Hot-Start-Szenario kam der radioaktive Zerfall später. Dieser Zerfall hat nicht den unterirdischen Ozean geschaffen; es hat es bis heute aufrechterhalten und verhindert, dass all das Wasser gefriert. Beweise von Die neuen Horizonte der NASA Mission unterstützt dieses Szenario.
„Lange Zeit haben die Menschen über die thermische Entwicklung von Pluto und die Fähigkeit eines Ozeans, bis heute zu überleben, nachgedacht“, sagte Co-Autor Francis Nimmo, Professor für Erd- und Planetenwissenschaften an der UC Santa Cruz. „Jetzt, da wir Bilder von Plutos Oberfläche von der NASA-Mission New Horizons haben, können wir das, was wir sehen, mit den Vorhersagen verschiedener thermischer Evolutionsmodelle vergleichen“, sagte Nimmo in a Pressemitteilung .
Im Gegensatz zu anderen Flüssigkeiten dehnt sich Wasser beim Gefrieren aus und zieht sich beim Schmelzen zusammen. Dies hinterlässt verräterische Zeichen auf der Oberfläche von Pluto. Diese Anzeichen sind für ein Kaltstart-Szenario anders als für ein Heißstart-Szenario.
„Wenn es kalt angefangen hätte und das Eis im Inneren geschmolzen wäre, hätte sich Pluto zusammengezogen und wir sollten Kompressionsmerkmale auf seiner Oberfläche sehen, während es sich bei heißem Start ausdehnen sollte, während der Ozean gefror und wir Ausdehnungsmerkmale auf der Oberfläche sehen sollten“, sagte Hauptautor Bierson. „Wir sehen viele Anzeichen für eine Expansion, aber wir sehen keine Anzeichen für eine Kompression, daher stimmen die Beobachtungen eher damit überein, dass Pluto mit einem flüssigen Ozean beginnt.“
Dehnungsstörungen (Pfeile) auf der Oberfläche von Pluto weisen auf eine Ausdehnung der eisigen Kruste des Zwergplaneten hin, die dem Gefrieren eines unterirdischen Ozeans zugeschrieben wird. (Bildnachweis: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute/Alex Parker)
Doch die Anzeichen des Hot-Start-Szenarios sind nicht einfach zu entziffern. Pluto hat wie jeder Körper eine komplizierte Geschichte, die sich über Milliarden von Jahren erstreckt. Es bedurfte einiger wissenschaftlicher Recherche, um das alles herauszufinden.
Ein Kaltstart-Pluto würde eine komplizierte Entwicklung durchlaufen und Anzeichen einer thermischen und tektonischen Entwicklung auf seiner Oberfläche hinterlassen. Wenn es kalt anfing und dann durch radioaktiven Zerfall erhitzt wurde, würde es schmelzen und schließlich wieder zu gefrieren beginnen. Dies würde in späteren und modernen Zeiten verräterische Zeichen der Expansion hinterlassen, wenn das Eis schmolz und das Wasser sich ausdehnte. Aber es würde Spuren einer Kontraktion in der Antike hinterlassen.
Die Beweise wären für einen heißstartenden Pluto anders. In diesem Szenario würden sich die Beweise für eine Erweiterung über die gesamte Geschichte von Pluto erstrecken, da es nirgendwo anders hingehen konnte als kühler, was eine kontinuierliche Erweiterung bedeutete. Je weiter die Wissenschaftler in der Zeit zurückblicken, desto schwieriger ist es natürlich, Beweise zu finden.
Diese Abbildung aus der Studie vergleicht das Kaltstartmodell (links) mit dem Heißstartmodell (rechts). Auf den oberen Feldern zeigt die durchgezogene braune Linie die Spitze des felsigen Kerns und die schwarze Linie die Spitze des Ozeans. Die rote Linie zeigt die nominelle Basis der elastischen Schicht an. Das untere Feld zeigt die Dehnungs-/Kompressionsdehnungen auf der Pluto-Oberfläche für jedes Modell. Bildquelle: Bierson et al, 2020.
„Die ältesten Oberflächenmerkmale auf Pluto sind schwieriger herauszufinden, aber es sieht so aus, als ob es sowohl eine antike als auch eine moderne Erweiterung der Oberfläche gegeben hätte“, sagte Nimmo.
Aber Oberflächenbeweise ist nur ein Teil dieser Studie. Die Forscher stellten auch eine weitere relevante Frage: Gab es genug Energie, um Pluto seinen heißen Start zu geben?
„Wie Pluto überhaupt zusammengestellt wurde, ist für seine thermische Entwicklung von großer Bedeutung.“
Francis Nimmo, Co-Autor der Studie, Professor für Erd- und Planetenwissenschaften an der UC Santa Cruz
Pluto ist viel zu weit von der Sonne entfernt, um viel Wärme vom Stern zu bekommen. Er hatte nur zwei Wärmequellen: Wärme aus radioaktivem Zerfall und Wärme aus neuem Material, das den heranwachsenden jungen Planeten bombardierte.
Wenn ein Material wie der junge Pluto auf einen Körper trifft, wird die Gravitationsenergie des Aufpralls in Wärme umgewandelt. Abhängig von der Zeitachse von Plutos Entstehung zeigten Biersons Berechnungen, dass die Einschläge genug Wärme erzeugt haben könnten, um das flüssige Wasser aufrechtzuerhalten. Aber nur, wenn die ganze Wärme gehalten wurde, was unwahrscheinlich ist.
Eine Illustration einer protoplanetaren Scheibe. Planeten verschmelzen aus der verbleibenden Molekülwolke, aus der sich der Stern gebildet hat. Als Material mit dem frühen Pluto kollidierte, erzeugten die Kollisionen Hitze. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC) – Februar 2005
Etwas Wärme würde unweigerlich in den Weltraum entweichen. Wenn Pluto langsam gewachsen wäre und Material über einen längeren Zeitraum angesammelt hätte, wäre ein Großteil der Wärme in den Weltraum abgeleitet worden. Aber wenn neues Material schneller von anderem Material vergraben würde, würde die Wärme eingeschlossen.
„Wie Pluto überhaupt zusammengestellt wurde, ist für seine thermische Entwicklung von großer Bedeutung“, sagte Nimmo. „Wenn es sich zu langsam aufbaut, strahlt das heiße Material an der Oberfläche Energie in den Weltraum ab, aber wenn es sich schnell genug aufbaut, wird die Wärme darin eingeschlossen.“
Für das Hot-Start-Szenario gibt es eine kritische Zeitschwelle: 30.000 Jahre. Wenn die Entstehung von Pluto 30.000 Jahre oder weniger gedauert hat, ist der Heißstart laut den Forschern gültig. Es hätte nicht genug Zeit gegeben, um die anfängliche Wärme abzuführen.
Aber wenn es länger dauerte und wenn Pluto über Millionen von Jahren gewachsen ist, dann passt das Kaltstart-Szenario zu den Beweisen. Die einzige Möglichkeit, wie das Heißstart-Szenario eine so lange Akkretionszeit überlebt hätte, wäre, wenn es Impaktoren gab, die ihre Wärme tief unter Plutos Oberfläche vergruben.
Und das bringt uns zu Sputnik Planitia. Sputnik Planitia (SP) ist ein großes Einschlagbecken auf der Oberfläche von Pluto mit einem Durchmesser von 1500 km (930 Meilen). SP besteht aus Eis, hauptsächlich Stickstoffeis. Es ist wahrscheinlich ein großes Einschlagbecken, das dieses Eis im Laufe der Zeit nach seiner Bildung gesammelt hat.
Die NASA-Raumsonde New Horizons hat dieses Bild von Sputnik Planitia aufgenommen – einer Gletscherfläche, die reich an Stickstoff, Kohlenmonoxid und Methaneis ist – das den linken Lappen eines herzförmigen Merkmals auf Plutos Oberfläche bildet. Bildnachweis: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute
Sputnik Planitia stellt einige Einschränkungen für die Heißstart- und Kaltstartmodelle bereit. Wissenschaftler sind sich über die genaue Tiefe des gesamten Eises in SP unsicher, aber eine vernünftige Schätzung liegt bei 10 km (6,2 Meilen), einer enormen Tiefe. Damit diese Tiefe genau ist, müsste ein elastische Dicke in der Lithosphäre unter SP von 40 km (25 Meilen). In einem Heißstart-Szenario könnte die erforderliche elastische Dicke in etwa 100 Millionen Jahren nach der Bildung erreicht werden. In einem Kaltstartszenario wird die elastische Dicke von 40 km nie erreicht.
Pluto ist ein Kuipergürtel-Objekt , so dass sich die Ergebnisse dieser Studie auch auf andere KBOs erstrecken könnten. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die anfänglichen Flüssigwasserozeane ein allgemeines Merkmal größerer Zwergplaneten im Kuipergürtel waren“, schrieben sie.
Die Autoren berücksichtigten auch Charons Potenzial, einen Hot-Start-Ozean zu beherbergen. „…der Heißstart, den wir uns vorstellen, ist wahrscheinlich nur für Körper relevant, die ungefähr den halben Radius von Pluto oder mehr haben. Charon, im halben Radius von Pluto, ist daher aufschlussreich. Das Fehlen jeglicher Kompressionsmerkmale auf Charon deutet darauf hin, dass Charon ebenfalls einen heißen Start hatte, obwohl in diesem Fall nicht erwartet wird, dass der Ozean bis heute überlebt hat.“
Künstlerische Illustration von Makemake, einem 2005 entdeckten Kuiper Belt Object (KBO). Es könnte wie andere KBOs einen heißen Start gehabt haben und heute noch einen unterirdischen Ozean haben. Bildquelle: NASA
Der Großteil der KBOs ist zu klein, als dass Ozeane so lange bestehen könnten. Aber für größere Objekte wie Eris und Makamake könnten noch heißstartende Ozeane existieren. „Selbst in dieser kalten Umgebung, die so weit von der Sonne entfernt ist, könnten sich all diese Welten schnell und heiß mit flüssigen Ozeanen gebildet haben“, sagte Bierson.
Aber diese Ozeane sind dem Untergang geweiht. Wenn sie das Potenzial haben, Leben zu beherbergen, und wenn dort etwas lebte, ist ihre Prognose nicht gut. Schließlich wird der radioaktive Zerfall nachlassen und die einzige Wärmequelle wird weg sein. Alle unterirdischen Ozeane werden unweigerlich für immer zufrieren.
Mehr:
- Pressemitteilung: Beweise unterstützen das „Hot-Start“-Szenario und die frühe Ozeanformation auf Pluto
- Forschungsbericht: Beweise für einen heißen Start und eine frühe Ozeanformation auf Pluto
- Universum heute: Die NASA erwägt jetzt eine Pluto-Orbiter-Mission