Das Meer in Plutos Unterwelt

Fünf Monde und ein inneres Meer

Einer der fünf Monde, die Pluto umrunden, ist der stattliche Trabant Charon, der es im Mittel auf immerhin 1212 Kilometer bringt. Die vier anderen Monde sind deutlich kleiner. Sie dürften Arrokoth ähneln, dem zweiten Zielobjekt von New Horizons. Die Sonde erreichte dieses etwa 36 Kilometer lange und hantelförmige Kuiper-Objekt am Neujahrstag 2019 (bild der wissenschaft 04/2021, „Portrait eines Außenseiters“).

Als sich Pluto in der Geburtsphase des Sonnensystems aus ursprünglichen Körpern wie Arrokoth zusammenballte, war er wahrscheinlich warm genug, um in seinem Innern einen flüssigen Ozean entstehen zu lassen. Dieser könnte tief unter der eisigen Kruste in Teilen sogar bis heute überdauert haben. Seine Existenz ist zwar noch nicht so gesichert wie die Tiefenmeere der Monde Europa und Enceladus von Jupiter und Saturn. Aber die Indizien verdichten sich.

Letztes Jahr steuerten US-amerikanische Forscher im Fachblatt Nature Geoscience eine neue Facette bei. „Lange hat man über die Wärmeentwicklung von Pluto und die Überlebensfähigkeit eines Ozeans nachgedacht“, sagt Francis Nimmo vom Autorenteam, der an der University of California in Santa Cruz forscht. Nun, da es endlich detaillierte Fotos der Pluto-Sonde gibt, kann man die Bilder mit den Vorhersagen der verschiedenen Modelle zur thermischen Entwicklung Plutos vergleichen.

Die Autoren wollten klären, unter welchen physikalischen Umständen Pluto einst in die Welt kam. Damals dürften grob zwei Drittel seines planetaren Baumaterials aus Fels bestanden haben, ein weiteres Drittel aus Wassereis. Eine physikalische Besonderheit von H2O ist hierbei wichtig: Wassereis hat eine geringere Dichte als Wasser. Auf der Erde sorgt dies dafür, dass Eisberge schwimmen. Auf Pluto bewirkt der Dichteunterschied der beiden Aggregatzustände, dass man noch heute unterscheiden kann, ob Plutos Existenz eher heiß oder eher kalt begann. Davon zeugen spezifische Merkmale auf der Oberfläche des Zwergplaneten, meint Carver Bierson, Planetenforscher und Teamleiter der neuen Publikation.

Kalter oder heißer Beginn?

Zunächst zu einem Kaltstart, bei dem die thermische und tektonische Entwicklung ziemlich verwickelt ist: Als sich durch den Zerfall von radioaktiven Elementen im Gestein, besonders des Isotops Aluminium-26, im Inneren Plutos die Wärme zu stauen begann, entstand aus dem schmelzenden Eis ein Ozean. Das führte zu einer Kontraktion des Himmelskörpers. Später kühlte der Ozean dann durch Wärmeverluste ans Weltall so weit ab, dass ein Ausfrieren begann – und durch das Eis dehnte sich der Ozean aus. In diesem Szenario folgt also einem frühen Schrumpfen eine spätere Expansion der Oberfläche.

Das Heißstart-Szenario ist einfacher: Wenn Pluto heiß begann, existierte von Anfang an ein Ozean unter einer nur wenige Kilometer dicken Eiskruste. Man sollte dann ausschließlich Effekte einer Ausdehnung auf der Oberfläche sehen, sagt Bierson. Tatsächlich zeigen sich an geologisch jüngeren Stellen der Oberfläche sogenannte Grabenstrukturen, die belegen, dass die Oberfläche während der Ausdehnung kilometerweit aufriss.

Was die älteren plutonischen Landschaften betrifft, ist Nimmo vorsichtig: „Zwar sind die ältesten Merkmale auf Plutos Oberfläche schwerer zu identifizieren, aber es scheint, dass sowohl eine alte als auch eine neue Expansion der Oberfläche stattfand.“ Jegliche Anzeichen für eine Kompression fehlen hingegen auf den Fotos – es spricht also alles für einen heißen Start.

Gravitationsenergie zur Geburtshilfe

Aber war genügend Energie vorhanden, um Pluto einen heißen Start zu ermöglichen? Bei der Bildung eines Planeten spielt neben der radioaktiven Zerfallswärme auch die Gravitationsenergie eine wichtige Rolle. Diese wird frei, wenn neues Material auf die Oberfläche des wachsenden Körpers stürzt. Biersons Rechnungen zeigen, dass die gesamte Gravitationsenergie ausgereicht hätte, um einen frühen Ozean schmelzen zu lassen. Doch realistischer ist die Annahme, dass ein beachtlicher Teil dieser Wärme von der Oberfläche abgestrahlt wurde und somit verloren ging.

Nimmo zufolge ist es entscheidend, wie rasch Plutos Geburt ablief: „Hat er sich langsam zusammengeballt, strahlte sein heißes Oberflächenmaterial Energie ins All ab. Ist er jedoch schnell entstanden, wurde die Wärme in seinem Inneren eingeschlossen.“

Sollte Pluto für seine Geburt weniger als 30.000 Jahre gebraucht haben, so wäre er nicht nur rasant, sondern auch heiß genug gestartet. Anders bei langen, über mehrere Millionen Jahre dauernden Geburtswehen: Dann wäre ein heißer Start nur möglich gewesen, wenn sehr große Einschlagskörper ihre Energie tief unter der Pluto-Oberfläche deponiert hätten.

Simulationsrechnungen eines japanisch-amerikanischen Forscherteams um Shunichi Kamata von der Hokkaido-Universität in Sapporo aus dem Jahr 2019 zeigen zudem, dass die Langlebigkeit des Pluto-Ozeans mit einer besonderen Tiefenschicht zusammenhängen könnte, die das Meer von der Eiskruste trennt. Wäre in dieser Schicht Methan in Strukturen aus Wasser-Molekülen käfigförmig gefangen, so würden sich daraus feste Kristalle bilden. Solche sogenannten Clathrate bewirken eine starke Isolation. Diese könnte den Wärmeverlust aus dem Ozean verhindern und ihn für Jahrmilliarden flüssig halten.

Kaum jemand hätte so fern der Sonne ein Gewässer erwartet. Doch das erscheint nun immer realistischer. „Mein Vater wäre fasziniert gewesen von der New-Horizons-Mission. Und wer wäre das nicht?“, kommentierte Tombaughs Tochter Annette. Doch der Entdecker starb 90-jährig – knapp ein Jahrzehnt, bevor New Horizons startete. In seinen letzten Jahren lehnte er Anfragen ab, die selbstgebauten Teleskope seiner Jugendzeit öffentlich auszustellen, denn er würde diese immer noch benutzen. Immerhin ging sein Wunsch, eines Tages zum Pluto zu fliegen, schließlich in Erfüllung.