12. Januar 2021
Laborexperimente im Nachgang der Dawn-Mission

Wa­rum der Zwerg­pla­net Ce­res an man­chen Stel­len et­was blau ist

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'Blaues' Oberflächenmaterial auf Ceres
'Blau­es' Ober­flä­chen­ma­te­ri­al auf Ce­res
Bild 1/6, Credit: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA/PSI; S. Schröder et al.

'Blaues' Oberflächenmaterial auf Ceres

Die­se Falsch­far­ben­dar­stel­lung der ge­sam­ten Ober­flä­che von Ce­res (Aus­deh­nung am Äqua­tor: 3030 Ki­lo­me­ter) be­tont die Va­ria­tio­nen im Spek­tral­ver­lauf des von der Zwerg­pla­ne­teno­ber­flä­che re­flek­tier­ten Son­nen­lichts. Da­zu wer­den auf die für ein Farb­bild üb­li­cher­wei­se ver­wen­de­ten Kanä­le rot, grün und blau – aus die­sen drei 'Far­ben' neh­men wir in ei­ner 'ad­di­ti­ven Farb­mi­schung' das 'wei­ße' Son­nen­licht wahr – drei ein­far­bi­ge Bil­der aus dem Ver­hält­nis von Wel­len­län­ge ge­legt, so­ge­nann­te Ra­ti­os. In die­sem Fall liegt auf dem Rot­ka­nal das Ra­tio aus na­hem In­fra­rot zu ro­tem Licht­an­teil (965 Na­no­me­ter/749 Na­no­me­ter), auf dem Grün­ka­nal ein Ra­tio von grü­nem Licht zu ro­tem Licht (555 nm/749 nm), und auf dem Blau­ka­nal ein Ra­tio von blau­em Licht zu ro­tem Licht (438 nm/749 nm). Durch die­se Dar­stel­lung las­sen sich Ge­bie­te, die im Son­nen­licht ei­nen hö­he­ren Blau­an­teil re­flek­tie­ren, leich­ter iden­ti­fi­zie­ren: Hau­la­ni sticht da­bei als jun­ger Ein­schlags­kra­ter mit ei­nem be­son­ders ho­hen An­teil an blau­em Licht her­vor, im Ge­gen­satz zu Er­nu­tet, das den höchs­ten Ro­tan­teil auf­weist, der dort auf or­ga­ni­sche Koh­len­was­ser­stoff-Ver­bin­dun­gen hin­weist.
Haulani in kontrastverstärkten Farben
Hau­la­ni in kon­trast­ver­stärk­ten Far­ben
Bild 2/6, Credit: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA/PSI

Haulani in kontrastverstärkten Farben

Hau­la­ni ist ei­ner der jüngs­ten Kra­ter auf Ce­res, mög­li­cher­wei­se ent­stand er erst vor zwei Mil­lio­nen Jah­ren. Hangrut­schun­gen an den stei­len Rän­dern des 34 Ki­lo­me­ter großen Kra­ters und glat­te Flä­chen, frei von klei­ne­ren Kra­tern, sind geo­mor­pho­lo­gi­sche Hin­wei­se auf das geo­lo­gisch jun­ge Al­ter und die Rol­le, die Was­ser und Eis im Un­ter­grund da­bei spie­len. Das aus 1470 Ki­lo­me­ter Hö­he mit der Fra­ming-Ca­me­ra auf der NA­SA-Raum­son­de Dawn auf­ge­nom­me­ne Bild ist ei­ne kon­trast­ver­stärk­te Auf­nah­me, in der die Strah­len von Ma­te­ri­al, das bei der Ent­ste­hung des Kra­ters aus­ge­wor­fen wur­de, bes­ser sicht­bar wer­den, was auch durch den bläu­li­chen Ton un­ter­stri­chen wird. Bei dem Ein­schlag, der Hau­la­ni er­zeugt hat­te, wur­de Staub und Ge­stein mit Eis im Un­ter­grund ver­mischt und aus­ge­wor­fen. Das Eis sub­li­mier­te spä­ter und hin­ter­ließ Schicht­si­li­kat-Mi­ne­ra­le, die auf­grund ih­rer Struk­tur be­son­ders stark kurz­wel­li­ges blau­es Son­nen­licht streu­ten.
Der Krater Haulani auf Ceres
Der Kra­ter Hau­la­ni auf Ce­res
Bild 3/6, Credit: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA/PSI

Der Krater Haulani auf Ceres

Schwarz­weiß-Bild­mo­sa­ik des 34 Ki­lo­me­ter großen Kra­ters Hau­la­ni na­he dem Äqua­tor (11º Ost/6º Nord) auf Ce­res, auf­ge­nom­men von der deut­schen Fra­ming Ca­me­ra auf der NA­SA-Raum­son­de Dawn. In Hau­la­ni wur­den spek­tro­sko­pisch die stärks­ten Ab­sorp­tio­nen in Wel­len­län­gen des blau­en Lichts ge­mes­sen. Ce­res wur­de 1802 auf Vor­schlag sei­nes Ent­deckers Gi­u­sep­pe Pi­az­zi nach der rö­mi­schen Göt­tin der Frucht­bar­keit und für das Ge­trei­de be­nannt. Auf Be­schluss der In­ter­na­tio­na­len Astro­no­mi­schen Uni­on wer­den Kra­ter und geo­lo­gi­sche Struk­tu­ren auf Ce­res nach ähn­li­chen my­tho­lo­gi­schen Fi­gu­ren und Frucht­bar­keits­fes­ten in al­len Kul­tu­ren be­nannt – mit ei­ner Aus­nah­me: der Kra­ter Pi­az­zi. Hau­la­ni ist die Ha­wai­ia­ni­sche Göt­tin der Pflan­zen.
Probenbehälter vor und nach dem Experiment
Pro­ben­be­häl­ter vor und nach dem Ex­pe­ri­ment
Bild 4/6, Credit: S. Schröder et al.

Probenbehälter vor und nach dem Experiment

Das lin­ke Bild zeigt den mit ei­nem Ge­misch aus Eis und Ce­res-Ana­log­ma­te­ri­al be­füll­ten Pro­ben­be­häl­ter zu Be­ginn des Sub­li­ma­ti­ons­ex­pe­ri­ments in der CCS-Kam­mer (Cold Sur­face Spec­tros­co­py) an der Uni­ver­si­tät Gre­no­ble. Sie wur­de be­füllt mit ei­ner am In­sti­tut für Astro­phy­sik und Pla­ne­to­lo­gie in Rom ent­wi­ckel­ten Mi­schung aus Ce­res-Ana­log­ma­te­ri­al und auf ei­ne Tem­pe­ra­tur von mi­nus 100 Grad Cel­si­us (173 Kel­vin) ge­kühlt. Das Ex­pe­ri­ment wur­de in ei­nem Hoch­va­ku­um mit ei­nem Gas­druck von ei­nem Mil­li­ons­tel Mil­li­bar über 133 Stun­den durch­ge­führt. Da­bei sub­li­mier­te (ver­dampf­te) das Eis voll­stän­dig, zu­rück blieb ei­ne in sich zu­sam­men­ge­sack­te, hoch­po­rö­se, stau­bar­ti­ge Sub­stanz (rech­tes Bild). Der Hohl­raum des Pro­ben­zy­lin­ders hat ei­nen Durch­mes­ser von 4,8 Zen­ti­me­ter.
Mikroskopische Feinstruktur nach dem Experiment
Mi­kro­sko­pi­sche Fe­in­struk­tur nach dem Ex­pe­ri­ment
Bild 5/6, Credit: S. Schröder et al.

Mikroskopische Feinstruktur nach dem Experiment

Nach Be­en­di­gung des Ex­pe­ri­ments mit Ce­res-Ana­log­ma­te­ri­al hat das ver­damp­fen­de Was­se­reis ein von fei­nen Fi­la­men­ten zu­sam­men­ge­hal­te­nes Netz­werk aus kleins­ten Hohl­räu­men in den Ton­mi­ne­ra­len hin­ter­las­sen. Die Struk­tu­ren sind so fi­li­gran und klein, dass durch auf­tref­fen­des Son­nen­licht ein Ray­leigh-Ef­fekt ent­steht, bei dem der kür­zer­wel­li­ge, ener­gie­rei­che­re blaue An­teil des Son­nen­lichts stär­ker als die rest­li­chen Wel­len­län­gen ge­streut wer­den und zur Blau­fär­bung der jun­gen Kra­ter auf Ce­res führt.
Ablauf des Sublimationsprozesses auf Ceres
Ab­lauf des Sub­li­ma­ti­ons­pro­zes­ses auf Ce­res
Bild 6/6, Credit: S. Schröder et al.

Ablauf des Sublimationsprozesses auf Ceres

Die sche­ma­ti­sche Dar­stel­lung zeigt, wie sich der Sub­li­ma­ti­ons­pro­zess von mit Eis durch­misch­tem Ober­flä­chen­staub auf Ce­res bei der Simulation mit Ana­log­ma­te­ri­al im Ex­pe­ri­ment dar­stellt: In je­dem der ku­gel­för­mi­gen Eispar­ti­kel, das ex­pe­ri­men­tell her­ge­stellt wur­de, bil­de­ten Schicht­si­li­kat­plätt­chen Ver­bin­dun­gen zwi­schen den Was­se­reis­kris­tal­len. Nach der Sub­li­ma­ti­on des Ei­ses blie­ben durch das Ver­schwin­den der Eis­kris­tal­le Hohl­räu­me zu­rück, die ein hy­per­po­rö­ses Netz­werk von Schicht­si­li­kat-Fi­la­men­ten mit­ein­an­der ver­bun­den sind. In ei­ni­gen Fäl­len be­hielt die eis­freie Struk­tur die Ku­gel­for­men der ur­sprüng­li­chen Eispar­ti­kel bei. Häu­fi­ger je­doch frag­men­tier­ten die Eis­kü­gel­chen in ei­ne un­ge­ord­ne­te, schaumar­ti­ge Struk­tur aus Plätt­chen und Fi­la­men­ten.
  • Aus Tonmineralen verdampfendes Wasser hinterlässt feinporigen, bläulichen Gesteinsstaub.
  • NASA-Raumsonde Dawn erkundete Ceres zwischen 2015 und 2018: rätselhafte blaue Stellen an jungen Einschlagskratern.
  • Bis zu 25 Prozent Wassereis in der Kruste des Zwergplaneten.
  • Schwerpunkte: Raumfahrt, Exploration des Sonnensystems, Laborexperimente

In diesen Tagen jährt sich die erste Entdeckung eines Asteroiden zum 220. Mal. In der Nacht vom 1. auf den 2. Januar 1801 fiel Giuseppe Piazzi, dem Leiter der Sternwarte von Palermo, an der Schulter des "Stiers" im gleichnamigen Sternbild ein 'Stern' auf, dessen Position sich von Nacht zu Nacht änderte. Er hatte Ceres entdeckt, den größten Körper im weiten Raum zwischen den Planeten Mars und Jupiter. Ceres, inzwischen zu einem Zwergplaneten 'befördert', war nach dem Asteroiden Vesta zwischen 2015 und 2018 das zweite Ziel der NASA-Mission Dawn. Auf den Ceres-Bildern der deutschen Kamera an Bord des Orbiters und in den Spektralmessungen fielen einige Stellen durch eine ungewöhnliche Blaufärbung auf, deren Ursprung bis heute rätselhaft blieb. Laborexperimente eines Teams um den DLR-Planetenforscher Stefan Schröder dürften das Rätsel nun gelöst haben: Einschläge in der jüngeren Vergangenheit haben mit Eis gemischtes Material an die Oberfläche befördert. Anschließend sublimierte das in der Kristallstruktur von darin enthaltenen Tonmineralen eingelagerte Wassereis. Zurück blieb ein feinporöser Staub, der aufgrund seiner 'schaumigen' Struktur das Sonnenlicht bläulich reflektiert.

"Ceres hat keine Atmosphäre, deshalb ist Wassereis an der Oberfläche nicht stabil und sublimiert rasch, geht also direkt von der festen Phase in die gasförmige über", erläutert Dr. Stefan Schröder vom DLR-Institut für Planetenforschung. "Im Labor konnten wir jetzt simulieren, was passiert, wenn Wassereis, das beispielsweise durch Einschläge auf Ceres zunächst in die Kristallstruktur von ganz bestimmten Mineralen eingebaut und an die Oberfläche verfrachtet wurde, von dort ins All entweicht. Zurück bleibt auf Ceres eine feinporöse, fast schaumige Staubschicht, die für die bläulich schimmernden Flächen an einigen jungen Einschlagskratern verantwortlich ist." Zu diesem Ergebnis kamen Schröder und seine Kollegen von der Universität Grenoble und dem Institut für Astrophysik und Planetologie in Rom mit einem Experiment. Dafür beobachteten sie im Labor unter Vakuumbedingungen und Temperaturen wie im äußeren Asteroidengürtel über den Zeitraum von knapp einer Woche wassereishaltiges Material, das jenem an den auffallend 'blauen' Stellen von Ceres entspricht. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher in der heutigen Ausgabe von Nature Communications.

Helle, 'blaue' Flecken auf Ceres stellten die Forscher vor ein Rätsel

Der knapp tausend Kilometer große, fast kugelförmige Zwergplanet Ceres umrundet die Sonne in Entfernungen zwischen 382 und 445 Millionen Kilometer auf einer elliptischen Umlaufbahn nahe dem äußeren Rand des Asteroidengürtels. Im Gegensatz zu den weiter innen kreisenden, fast ausschließlich 'felsigen' Asteroiden enthalten die Kleinkörper am äußeren Rand des Asteroidengürtels einen signifikanten Anteil an Wassereis. In der Kruste von Ceres könnten beträchtliche Anteile davon gespeichert sein, die Schätzungen reichen von einem Zehntel bis zur Hälfte des Volumens. Eis könnte also bereits wenige Meter unter der Oberfläche anzutreffen sein.

Äußerlich unterscheidet sich Ceres nicht wesentlich von anderen kraterübersäten Körpern. Sein Antlitz ähnelt der Rückseite des Mondes oder dem zahlreicher eisiger Trabanten von Jupiter oder Saturn. Schon aus diesem Grund waren zum einen außergewöhnlich helle, das Sonnenlicht stark reflektierende Flächen in jungen Impaktkratern sowie blaue Flächen in deren Umgebung seit Ankunft der Dawn-Raumsonde eines der am meisten diskutierten Phänomene auf Ceres. Helle Flächen wie beispielsweise im Krater Occator rühren von Mineralsalzen her. Diese Erklärung greift jedoch nicht bei den blauen Flächen. Auffallend 'blaue' Spektren zeigte zum Beispiel ein mehrere tausend Quadratkilometer großes Gebiet am vermutlich nur zwei Millionen Jahre jungen Krater Haulani. Ganz offensichtlich führt jeder Impakt eines Körpers auf die Oberfläche von Ceres zu einem Aufschmelzen von Eis in der Kruste und einem Durchmischen mit den Mineralen im Regolith, der Staubschicht an der Oberfläche des Körpers.

Dawn-Spektralmessungen aus der Umlaufbahn haben gezeigt, dass an diesen Stellen sogenannte Schicht- oder Phyllosilikate (von phyllos, griechisch für Blatt) als wesentliche gesteinsbildende Minerale vorhanden sein müssten. Auch Salze dürften in wässrigen Lösungen aus geschmolzenem Eis nach oben gedrungen sein. Schichtsilikate sind auf der Erde als Glimmer weit verbreitet, schwarzer Biotit oder hell schimmernder Muskovit in Granitgestein zum Beispiel. Bei der Verwitterung von Basalt, dem häufigsten vulkanischen Gestein, entstehen im Kontakt mit Wasser Tonminerale, wie etwa die Phyllosilikatgruppe der Smektite (das Mineral Montmorillonit ist ein etwas bekannterer Vertreter). Solche Schichtsilikate haben die Eigenschaft, dass sie durch die in ihnen enthaltene Wassermoleküle quellen können, also ihr Volumen größer wird – das war der Ansatz für das Laborexperiment der Planetenforscher.

Von grau zu blau – verdampftes Wasser verändert Mineralstruktur

In einen Probenbehälter füllten sie ein Smektit-Präparat, das chemisch-mineralogisch und hinsichtlich seiner spektralen Eigenschaften (Farbe, Helligkeit) dem Material auf der Oberfläche von Ceres sehr ähnlich ist. Beim Experiment wurde die Probe im Labor des Instituts für Planetologie und Astrophysik der Universität Grenoble für 133 Stunden einem Hochvakuum und tiefen Temperaturen von minus 100 Grad Celsius wie bei Ceres ausgesetzt. Wie erwartet sublimierte das Wassereis und entwich aus der Probe. Die Feinstruktur der Schichtsilikate aber blieb erhalten und dabei blieb ein skelettartiges, porenreiches Restsubstrat zurück. Wegen der mikroskopisch kleinen Hohlräume vergrößerte sich das Volumen der blasigen, fast schaumartigen Struktur der Mineralprobe sogar ganz erheblich. Und dabei veränderten sich auch dessen spektrale Eigenschaften: Das zuvor mehr oder weniger kontinuierliche Spektrum, das dem 'weißen' Sonnenlicht mit seinen Blau-, Grün- und Rotanteilen bis ins nahe Infrarot (Wärmestrahlung) entsprach, zeigte nun deutliche Reflexionen der blauen Lichtanteile.

"Das ist vergleichbar mit dem Phänomen, dass uns der Himmel auf der Erde blau erscheint", erklärt Stefan Schröder. "Das vergleichsweiße langwellige Sonnenlicht wird an den winzigen Molekülen der Erdatmosphäre in Abhängigkeit von der Wellenlänge mehr oder weniger stark gestreut. Die höherfrequenten Anteile des Lichts, die blauen Wellenlängen, werden stärker gestreut, als die niederfrequenteren Anteile des Lichts, die grünen und roten Wellenlängen. Als Folge davon erscheint uns der Himmel blau. Ganz ähnlich findet dieser Effekt, auch 'Rayleigh-Streuung' genannt, an den Hohlräumen der Schichtsilikate auf Ceres statt, aus denen das Wasser entwichen ist." Die Substanz reflektierte etwa 40 Prozent mehr Licht, was die auffallende Helligkeit dieser Flächen auf Ceres erklärt, außerdem ist der Anteil von blauem Licht deutlich höher. "Vermutlich sind es vor allem die winzigen Hohlräume und die weniger als einen Mikrometer großen Filamente, durch die sie miteinander verbunden sind, die eine Rayleigh-Streuung ermöglichen und wir deshalb mehr Anteile des energiereicheren blauen Lichts reflektiert sehen", so Schröder.

Die Gebiete mit einem erhöhtem Anteil an reflektierten blauen Anteilen des Lichts auf Ceres sind nicht so hell wie die weißen Flächen, deren Ursprung auf das Empordringen von Mineralsalzen in Wasser-Eis-Gemischen, sogenannten 'Solen' zurückgeht. Das Experiment der Wissenschaftler mit der Simulation von Sublimationsvorgängen im Oberflächenmaterial an jungen Kratern auf Ceres hat gezeigt, dass das Verdampfen von Wasser aus Tonmineralen mikroskopisch der Mechanismus ist, der die winzige Strukturen im Regolith erzeugt, die ursächlich für die Blaufärbung sind: An den im Vergleich zur Wellenlänge des sichtbaren Lichts und dem nahen Infrarot sehr viel kleineren Hohlräumen und ihrer Verbindungen führt der Rayleigh-Effekt zur Blaufärbung des Mineralstaubs.

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