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Pluto - erste offizielle wissenschaftliche Ergebnisse

Seit dem Vorbeiflug der NASA-Sonde New Horizons [1] am Zwergplaneten [1] Pluto [1, 2] am 14. Juli sind nunmehr drei Monate vergangen. Nun wurden die ersten wissenschaftlichen Erkenntnisse veröffentlicht [3].

Zusammengefaßt vorab die wichtigsten Ergebnisse:
Die Aufnahmen der Plutosonde zeigen unterschiedlichste Oberflächenstrukturen, Alter, Farben und chemische Zusammensetzungen. Es existieren Hinweise auf die Existenz einer Kruste aus Wassereis [1], geologisch jungen Oberflächenbereichen und gletscherartigen Transportmechanismen.

Plutos Atmosphäre ist erstaunlicherweise relativ ausgedehnt und beinhaltet Spuren von Kohlenwasserstoffen [1]. Der Druck auf der Plutooberfläche beträgt etwa 10 Mikrobar [1].

Die Oberflächengeologie sowie die lang andauernde Aktivität von Pluto stellen die Frage wie derart kleine Planeten über viele Milliarden Jahre nach ihrer Entstehung derart aktiv sein können.

Der Plutomond Charon [1]  zeigt Anzeichen für Tektonik [1] und eine heterogene chemische Zusammensetzung seiner Kruste. Charons Nordpol ist erstaunlich dunkel. Die beiden kleinen Plutomonde Hydra [1] und Nyx [1] zeigen eine höhere Albedo [1] als erwartet.

 

I   Allgemeines
Der Pluto wurde vor 85 Jahren entdeckt; zusammen mit seinem Mond Charon bildet er ein Zweifachsystem. Lange dachte man, dass Pluto nicht wirklich zum Sonnensystem [1] gehört, sondern es sich nur um eine Anomalie [1] handele.

Die Entdeckung des Kuiper-Gürtels [1], der größten Struktur des Planetensystems, bewies, dass Pluto einer Klasse von kleinen Planeten [1] angehört, die sich im äußeren Sonnensystem vor rund 4,5 Milliarden Jahren gebildet haben. Pluto ist das größte Objekt dieser Gruppe.

 

II   Physikalische Größen
Mithilfe der Aufnahmen der Plutosonde konnten die Radien innerhalb des Plutosystems wesentlich genauer bestimmt werden:

  • Pluto            1.187 km
  • Charon                   606 km
  • Nix              54 x 41 x 36 km
  • Hydra           43 x 33 km

Die Radien der beiden anderen Monde sind unsicher.

III   PLUTO
(1)   Geologie
Pluto besitze Schluchten, kraterzerklüftete Landschaften und ausgedehnte, glatte Eisebenen. Plutos markanteste Oberflächenstrukturen sind sein Nordpol, Sputnik Planum, Norgay Mondes, Hillary Montes, ein Krater mit einem Durchmesser von rund 40 Kilometern und die dunkle Region Cthulhu Regio (Abb. 1a) [1, 2].

Es existieren Hinweise, dass geologische und andere Prozesse Plutos Oberfläche unlängst wesentlich verändert haben. Seine Oberfläche besteht innerhalb eines länglichen Bandes mit Bereiten von 25°S bis 10°N aus Strukturen, die niedriger als die mittlere Höhe der Plutooberfläche liegen;
sie sind von helleren Bereichen umgeben. Regionen mit einem höheren Oberflächenreflektionsvermögen [1] treten hauptsächlich in mittleren und hohen Breitengraden auf.

Eine dieser Strukturen ist Tombaugh Regio [1]; sie befindet sich in der Nähe des Plutoäquators. Die Ausdehnung dieser Region beträgt 1.800 km in Ost-West-Richtung und 1.500 Kilometer in Nord-Süd-Richtung. [3]

Krater
Plutos Oberfläche besitzt einige Impaktkrater mit Durchmessern bis 260 Kilometer. Viele der Krater scheinen bereits zerstört oder mit Material (auf)gefüllt zu sein, einige erscheinen durch Eisvorkommen an ihren Rändern oder im Zentrum als helle Oberflächenstrukturen. Insbesondere Cthulhu Regio scheint stark von Kratern durchsetzt, von denen einige Längen bis zu 600 Kilometern zeigen. (Abb. 1a und 1b)

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Abb. 1a Aufnahme der Region Cthulu Regio und Norgay Montes.
Die Region Cthulhu Regio besitzt eine sehr große Krater (Bildmitte),
von denen einige mit Material gefüllt sind (infilled crater).
© NASA/JHU.APL/SwRI

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Abb. 1b Detailaufnahme einer typischen Kraterregion auf Pultos Oberfläche.
© NASA/JHU.APL/SwRI


Sputnik Planum
Die Plutooberfläche ist mit unterschiedlichen Eissorten bedeckt, die sogar bei niedrigsten Temperaturen flüchtig sein können. Dadurch entsteht ein Austausch von Molekülen [1] zwischen der Oberfläche und der dünnen Atmosphäre. Durch die Exzentrizität [1] der Plutobahn (Aphel [1] 48,8 Astronomische Einheiten (AE) [1], Perihel [1] 29,66 AE) entstehen jahreszeitliche Schwankungen innerhalb der Umlaufperiode um die Sonne von 247,7 Jahren.

In der Ebene Sputnik Planum existieren Berge mit Höhen bis 3.000 Metern. (Abb. 2-5)

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Abb. 2 Hochaufgelöste Aufnahme der Region Sputnik Planum.
In dieser Region befinden sich zahlreiche hohe Berge mit Höhen bis zu 3.000 Metern. © NASA/JHU.APL/SwRI

 

Diese Gebirgsstrukturen erfordern ein Material, das nicht unter seinem eigenen Gewicht zusammenbricht. Berge aus Eisarten wie Stickstoff (N2), Kohlenmonoxid (CO) und Methan (CH4) [1, 2]  können derartig hohe Bergstrukturen (Abb. 3-5) niemals langfristig ausbilden.

Daher müssen die Gebirge in SPutnik Planum aus einem stabileren Material, vermutlich aus Felsen auf der Basis aus Wassereis, bestehen. Die übrigen dort vorkommenden Eissorten bilden vermutlich lediglich ein Furnier - ähnlich furniertem Holz - als dünne Oberfläche auf dem stabileren Material, dem deutlich härteren Wassereis, aus dem möglicherweise die hohen Berge bestehen.

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Abb. 3 Die Region Sputnik Planum.
Die Region befindet sich auf der linken Seite der "Herzregion" der Plutooberfläche
(s. Abb. 2). Die rechts davon liegende Oberfläche ist eher flach und glatt und mit
Eis bedeckt. © NASA/JHU.APL/SwRI

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Abb. 4 Eisberge (links) in der Region Sputnik Planum (s. Abb. 3).
© NASA/JHU.APL/SwRI

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Abb. 5 Detailaufnahme der Eisberge (links) in der Region Sputnik Planum.
(s. auch Abb. 2 - 4) Das die Berge umgebene Gebiet ist eher flach.
© NASA/JHU.APL/SwRI

 

Teile des bergigen Terrains sind in buckelartige Bereiche aufgebrochen. Diese Buckelregionen besitzen Durchmesser von 20-150 Kilometer und Höhen bis einige Hundert Meter. Möglicherweise ist dieses Gebiet tektonischen Ursprungs.

Dagegen zeigt Sputnik Planum keine Kraterstrukturen, vielmehr ist die Region in polygonale und eiförmige Zellen mit Durchmessern von einigen 10 Kilometern und Rinnen von 2-3 Kilometern Breite unterteilt. Der Ursprung der polygonalen und eiförmigen Strukturen ist unklar. Möglicherweise schrumpfte die Oberfläche - wie bei Schlamm oder Lehm - oder das unter der Oberfläche befindliche Material hob bzw. senkte sich; möglich ist auch eine Art Festkörper-Konvektion [1].

Einige der Rillen in diesem Gebiet bestehen aus dunklem Material, andere erheben sich einige Hundert Meter in die Höhe. Die dunklen streifenartigen Strukturen werden als Windstreifen (Abb. 6) interpretiert.

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Abb. 6 Mögliche Streifenstrukturen im Bereich von Sputnik Planum,
die durch Wind entstanden sein könnten (rote Pfeile). Die Streifen treten
in der Nähe von dunklen Flecken oder dunklen Bereichen auf.
© NASA/JHU.APL/SwRI/Science

 

Die zentrale helle Region von Sputnik Planum enthält ebenfalls Eis, insbesondere beträchtliche Mengen von Kohlendioxideis. Sputnik Planum ist von höher liegenden Bereichen umgeben.

Einige Strukturen innerhalb von Sputnik Planum deuten auf Flussstrukturen wie man sie bei Gletschern auf der Erde findet (Abb. 7a und 7b). Das Eis in diesen Strukturen scheint in der Vergangenheit in Bewegung gewesen zu sein oder immer noch zu fließen; dabei wurden sogar Hindernisse umflossen. Möglicherweise besitzt das Oberflächeneis eine ausreichend geringe Viskosität [1], so dass es kriechen oder fließen kann.

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Abb. 7a Gletscherartige Strukturen im Bereich Sputnik Planum.
Die gletschereisartigen Strukturen befinden sich (oben links) am Rand der
bergigen Strukturen. © NASA/JHU.APL/SwRI

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Abb. 7b Detailaufnahme der gletscherartigen Strukturen im Bereich Sputnik Planum.
© NASA/JHU.APL/SwRI

 

Die unterschiedliche Häufigkeit von Kratern auf der Plutooberfläche deutet darauf hin, dass die Oberfläche unterschiedlich alt ist. Modellrechnungen für das Alter von Sputnik Planum deuten auf aktive geomorphische Prozesse während der letzten 100 Millionen Jahre, die möglicherweise bis in die Gegenwart reichen.

Die Umgestaltung der Plutooberfläche kann durch Oberflächenerosion - wie bei dem Saturnmond Titan [1] - oder eine Art Tektonik - wie beim Jupitermond Europa [1] - oder einer Kombination unterschiedlicher Prozesse erfolgt sein. Da die Oberflächenstrukturen von Pluto und Charon keinen Gezeiten [1] unterliegen, bleibt die Frage welche Energiequelle für die Umgestaltung der Oberflächen während der letzten Milliarden Jahre verantwortlich war.

 

(2)   Farbe und chemische Zusammensetzung
Die helle herzförmige Region Tombaugh Regio (Abb. 3, Bildmitte) ist im östlichen Bereich rauh und wahrscheinlich physikalisch dünner. Das dortige Material könnte aus der Region Sputnik Planum stammen. Wie es dorthin transportiert wurde, ist gegenwärtig unklar.

Die Färbung der Plutooberfläche entspricht Überbleibseln von Tholinen [1, 2], die sich durch die UV-Strahlung oder den Einfall von geladenen Teilchen auf Mischungen aus Stickstoff und Methan bilden [2].

Aufgrund des Fingerabdrucks im Spektrum konnte die Plutosonde hohe Konzentrationen von Methaneis feststellen, insbesondere in der Region Sputnik Planum. Die Zusammensetzung und die Ausdehnung der Eissorten innerhalb von Sputnik Planum deutet darauf hin, dass diese Region ein großes Reservoir von flüchtigen Eissorten darstellt. Möglicherweise ist Sputnik Planum ein Gebiet, das mit dem Inneren von Pluto direkt verbunden ist.

 

(3)   Die Plutoatmosphäre
Die Messungen der Plutosonde haben einen Oberflächendruck von 10 Mikrobar - etwa Hunderttausend mal weniger als auf der Erde - ergeben. Dieser Wert liegt unterhalb der Erwartungen der Forscher. Es ist nicht klar, ob dieser niedrige Wert aus dem Abfall der Masse der Plutoatmosphäre stammt oder aus einer fehlerhaften Kalibrierung (der Instrumente). Pluto besitzt eine dünne Troposphäre [1].

Der Höhe der Plutoatmosphäre erstreckt sich bis etwa 150 Kilometer oberhalb der Oberfläche. Wahrscheinlich waren bei der Bildung der Atmosphäre Reaktionen zwischen Ionen [1] und Molekülen oder Staub von Meteoren [1] beteiligt. Die Atmosphäre zeigt im Bereich von 50-80 Kilometern Höhe wellenartige oder schichtungsartige Strukturen.

Plutos Himmel erscheint ungewöhnlich blau: die Teilchen in der Atmosphäre erscheinen im Sonnenlicht als blauer Dunst (Abb. 8). Das deutet darauf hin, dass diese Teilchen relativ klein sind.

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Abb. 8 Aufnahme der blau gefärbten Plutoatmosphäre.
© NASA/JHU.APL/SwRI


III   CHARON

(1)   Geologie

Leider konnte die Plutosonde lediglich zwei Aufnahmen des Mondes Charon (Abb. 9) machen. Diese Aufnahmen zeigen die komplexe Geologie des Plutomondes.

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Abb. 9 Aufnahme des Plutomondes Charon.
Charons markanteste Oberflächenstrukturen sind der dunkle Nordpol (oben),
wahrscheinliche Einschlagskrater (linke Pfeile) und mögliche Spalten (rechte Pfeile).
© NASA/JHU.APL/SwRI

 

Charon besitzt ein riesiges, kilometertiefes Canyonsystem, das mindestens viermal so lang ist wie der Grand Canyon auf der Erde. Die Canyons ziehen sich quer über seine Oberfläche. Möglicherweise floss dort in der Vergangenheit ein unterirdischer Ozean, der gefror und dabei die komplette Kruste aufgesprengt hat.

Die Oberfläche Charon zeigt ausserdem zahlreiche helle und dunkle Flecken sowie Krater und Ebenen, weiterhin eine Grabenstruktur und eine dunkle Region am Nordpol des Mondes (Abb. 10, 11). Diese Region wird (vorläufig) als Mordor Macula [1] bezeichnet. Die fast kreisrunde Struktur ist im Inneren etwa 275 Kilometer breit und halb so hell wie die übrige Oberfläche des Mondes. Im Außenbereich, der einen Durchmesser von etwa 450 Kilometern aufweist, ist diese Region weniger dunkel. Möglicherweise ist Mordor Macula durch einen Impakt oder eine komplexe tektonische Struktur entstanden.

Charons Oberfläche zeigt unterschiedliche Anzahl von Kratern. Die unterschiedliche Albedo der Krater deutet auf eine variable Albedo, Alterseffekte und/oder die unterschiedliche Zusammensetzung des Impaktobjektes hin.

Eine 3-dimensionale Darstellung des Plutomondes Charon finden Sie unter [5]. Bitte 3D-Brille aufsetzen!!!

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Abb. 10  Großbildaufnahme des Plutomondes Charon.
© NASA/JHU.APL/SwRI

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Abb. 11 Detailaufnahme der nördlichen polaren Region von Charon.
Die Zahlen bezeichnen einen kleinen bogenförmigen Krater (1), ein paralleles Paar Rinnen (2) sowie helle (3) und dunkle (4) Strukturen, die wahrscheinlich auf Auswurfmaterial hindeuten.
© NASA/JHU.APL/SwRI

 

Südlich des Äquators von Charon befinden sich zahlreiche Ebenen, die nur mäßig von Kratern bedeckt sind. Dort befinden sich rillenartige Strukturen, die einige Kilometer lang sind.

Altersbestimmungen im Bereich von Vulcan Planum [1] deuten auf Alter von mindestens 4 Milliarden Jahren [4]; dieser Altersbereich entspricht der Periode des Späten Bombardements [1] im äußeren Sonnensystem.

 

(2) Oberflächenhelligkeit und chemische Zusammensetzung
Der dunkelste Bereich auf Charon ist die Region Mordor Macula. Möglicherweise wird dort jahreszeitlich bedingt flüchtiges Eis festgehalten, das sich bei Sonnenbestrahlung in chemisch komplexere, weniger flüchtige Tholine umwandelt, die in dem Gebiet verbleiben.

 

(3) Die Charon-Atmosphäre
Der Plutomond Charon besitzt wahrscheinlich keine Atmosphäre.

 

DER VERGLEICH

Ein Vergleich von Pluto und Charon zeigt, dass Pluto wesentlich mehr Kraterstrukturen zeigt als sein Mond (Abb. 12). Die linken Aufnahmen der Abbildung wurden bei direkter Sonnenbestrahlung, die rechten mit schräg einfallendem Sonnenlicht gemacht.

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Abb. 12 Bildlicher Vergleich von Pluto und Charon.
Die Aufnahmen links entstanden bei direkter, rechts bei indirektem Einfall
von Sonnenlicht und verdeutlichen die unterschiedliche Kraterhäufigkeit beider Objekte. © NASA/JHUAPL/SwRI/K. Singer

 

Modellrechnungen zeigen, dass sich der größte "frische" Krater auf der Plutooberfläche vor rund 1 Milliarde Jahren gebildet hat, auf dem Plutomond Charon dagegen vor 3 Milliarden Jahren. [7]

 

IV   DIE KLEINEN PLUTOMONDE
Die Plutosonde konnte erstmals die kleinen Plutomonde Nix und Hydra auflösen (Abb. 13) und Messungen der Monde Styx und Kerberos [1] vornehmen. Allerdings weiß man über die beiden kleinen Plutomonde nur sehr wenig.

Nix

Die Aufnahmen des Plutomondes Nix zeigen einen hochgradig ausgedehnten Mond mit Abmessungen von 54 x 41 x 36 Kilometern. Nix besitzt eine uneinheitliche Oberfläche (Abb. 14). Die Albedo beträgt etwa 0,43-0,50. Dieser hohe Wert der Albedo deutet auf eine mit saubererem Wassereis bedeckte Oberfläche als die von Charon hin.

Hydra

Der Plutomond Hydra ist ebenfalls ein nicht kreisförmiger Körper (Abb. 15); seine Maße betragen rund 43 x 33 Kilometer. Die Albedo der Hydraoberfläche ist uneinheitlich. Die Oberfläche zeigt einige kraterartige Strukturen. Ähnlich wie Nix besitzt Hydra eine Oberfläche, die das Sonnenlicht hochgradig reflektiert, was ebenfalls auf die Existenz von relativ sauberem Wassereis hindeutet. Wie Nix und Hydra diese hellen Oberflächen während der letzten Milliarden Jahre beibehalten konnten ist unklar.

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Abb. 13 Aufnahme der Plutomonde Nix und Hydra.
© NASA/JHU.APL/SwRI

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Abb. 14 Stark geschärfte Aufnahme des Plutomondes Nix.
© NASA/JHU.APL/SwRI /yahw

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Abb. 15 Detailaufnahme des Plutomondes Hydra.
© NASA/JHU.APL/SwRI

 

Kleinere Monde und Ringe
Im Vorfeld der Plutomission wurde immer wieder über die Existenz weiterer kleiner Plutomonde sowie Ringe spekuliert. Allerdings konnte New Horizons keine von beidem entdecken.

 

Ursprung und Entwicklung des Plutosystems
Die Plutosonde hat innerhalb des Plutosystems eine große Vielfalt geologischer Aktivität entdeckt, insbesondere gletscherartige Wechselwirkungen sowie Wechselwirkungen zwischen der Oberfläche und der Atmosphäre von Pluto, außerdem Impakt-, tektonische, cryovulkanische Prozesse [1, 2] auf Pluto und Charon.

Die Beobachtungen der Plutosonde deuten darauf hin, dass auch andere kleine Körper des Kuiper-Gürtels, wie beispielsweise Eris, Makemake oder Haumea [1] eine ähnlich komplexe Vergangenheit besitzen wie Pluto und Charon.

Im Falle von Pluto sind geologische Prozesse notwendig, wenn man seine Oberflächenstrukturen erklären will. Einige dieser Prozesse müssen erst kürzlich erfolgt sein. Die Frage nach der Energiequelle dieser Prozesse bleibt (zunächst) unbeantwortet.

Die Dichten von Pluto und Charon weichen um weniger als 10 Prozent voneinander ab. Das deutet auf eine ähnliche Zusammensetzung hin. Möglicherweise besaßen die Vorgängerkörper eine ähnliche chemische Zusammensetzung.

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Auf Pluto gibt es Berge, einen blauen Himmel und Eis. – Je mehr Details vom Pluto bekannt werden, desto größer wird der Verdacht: Wurde Pluto zu Unrecht zum Zwergplaneten degradiert?

 

Über die weiteren Ergebnisse und Aufnahmen der Plutomission werden wir Sie auf dem Laufenden halten.

 

Falls Sie Fragen und Anregungen zu diesem Thema haben, schreiben Sie uns unter kontakt@ig-hutzi-spechtler.eu

 

Ihre
IG Hutzi Spechtler – Yasmin A. Walter

 

Quellenangaben:

[1] Mehr Information über astronomische Begriffe
www.wikipedia.de

[2] Weitere Information zu Pluto und New Horizons
http://www.nasa.gov/newhorizons

http://pluto.jhuapl.edu/News-Center/

http://pluto.jhuapl.edu

bzw.
http://www.ig-hutzi-spechtler.eu/aktuelles__pluto__hauptseite.html

[3] Stern, S. A., et al., Science (16 October 2015)

[4] Plutos Oberflächenstrukturen mit vorläufiger Benennung
http://www.sciencemag.org/content/350/6258/aad1815/F3.large.jpg

[5] 3-dimensionale Darstellung des Plutomondes Charon
http://planetary.s3.amazonaws.com/assets/images/9-small-bodies/2015/20151013_nh-charon-stereo_ana.png
© NASA/JHUAPL/SwRI/A. Parker/D. Macháček

[6] Hochauflösende animierte Aufnahmen von Pluto (Werbung wegklicken)
https://youtu.be/AYLCROB-ZIo

[7] Greenstreet, S., et al., Icarus 258, 267-288 (2015)

 

 

 

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