Ein neues Meer im Sonnensystem

Einen gewissen Verdacht hatte ein Astronomenteam um Radwan Tajeddine von der Cornell University in Ithaca, New York, bereits 2014. Damals hatte die NASA-Sonde Cassini bei ihren Vorbeiflügen an Mimas eine ungewöhnlich ausgeprägte Libration gemessen. So nennt man das leichte Taumeln der Drehachse eines Trabanten, der seinem Mutterplaneten immer dieselbe Seite zeigt; vom Erdmond kennt man diesen Effekt ebenfalls. Bei Mimas ist das Taumeln allerdings stärker als es bei einem Eismond mit kleinem Gesteinskern sein dürfte.

Laineys Team hat nun eine weitere Eigenschaft von Mimas’ Orbits analysiert: die Bewegung des Punktes der größten Saturnnähe (Periapsis-Drift). Die Forscher kamen zu dem Ergebnis, dass sich dieser Punkt rückwärts bewegt. Dazu werteten sie Messungen aus, die Cassini in der gesamten 13-jährigen Einsatzzeit vorgenommen hatte. „Über die Dauer der Mission hinweg maßen wir eine Verlagerung des Orbits um minus 9,4 Kilometer“, berichten sie. Eine solche Rückwärtsdrift tritt dann ein, wenn das Schwerefeld eines Mondes länglich verformt ist, etwa durch einen abgeplatteten Gesteinskern in seinem Innern. Die alternative Erklärung: Mimas besitzt einen Tiefenozean.

Computersimulationen zeigten, dass ein fester innerer Kern, wäre er die Erklärung für die Messergebnisse, wie ein Pfannkuchen deformiert und zusätzlich so groß sein müsste, dass seine Ränder die Oberfläche von Mimas durchstoßen würden. Das ist mit den Beobachtungen selbstverständlich nicht vereinbar. Wenn man allerdings einen Ozean annimmt, der 25 bis 30 Kilometer tief unter der Eiskruste liegt, sind sowohl die Libration als auch die Rückwärtsdrift der Periapsis erklärbar.

Ein Ozean entsteht

Es gibt jedoch einen wichtigen Unterschied im Vergleich zu den bislang bekannten Meeren im Innern anderer Eismonde: Die flüssige Schicht ist erst vor geologisch kurzer Zeit entstanden. Dafür spricht Mimas’ exzentrische Umlaufbahn. Denn im Lauf der Zeit wird die Umlaufbahn eines Himmelskörpers mit einem solchen Meer immer kreisförmiger. Anscheinend hatte das Tiefenmeer auf Mimas dafür aber noch nicht genügend Zeit. „Der Ozean muss weniger als 25 Millionen Jahre alt sein und sich noch immer in der Entwicklung befinden“, lautet die Schlussfolgerung von Lainey und seinem Team.

Das geringe Alter könnte zudem erklären, warum es noch keine sichtbaren Anzeichen für diesen Ozean gibt: Die Oberfläche samt ihrer großen Krater formte sich lange vor dem Tiefenmeer. Der Eismond-Experte Frank Postberg von der Freien Universität Berlin, der an der Studie nicht beteiligt war, findet diese Argumentation überzeugend.

Woher kommt nun die Wärme, die das Eis schmilzt? Die etablierte Erklärung geht von den Gezeitenkräften aus, mit denen der nahe Riesenplanet Saturn den kleinen Mimas durchwalkt. Dazu müsste Mimas’ Umlaufbahn früher deutlich elliptischer gewesen sein als heute. Denn nur wenn die Abstände zum Saturn stärker variieren, wird im Inneren des Mondes Reibungswärme frei.

Aber wieso war der Orbit einst elliptischer? Eine mögliche Erklärung wäre der Verlust eines früher existierenden Saturnmonds, was auch weitere Rätsel um den Ringplaneten lösen könnte (bdw 1/2023, „Wie kam Saturn zu seinen Ringen?“). Denn wenn es diesen hypothetischen Mond gab, könnte bei seiner Zerstörung das Schwerefeld um Saturn so stark gestört worden sein, dass sich auch die Exzentrizität von Mimas’ Orbit vorübergehend erhöhte.

Womöglich ist der Unglücksmond sogar ein Vorfahr des Mimas. In diesem Fall hätten sich die Trümmer nach einer Kollision mit einem Kometen wieder zusammengefügt – das wäre dann die Geburtsstunde von Mimas gewesen. So berechnete es der kanadische Astrophysiker John Dubinsky von der University of Toronto bereits 2019. Demnach würden weitere Kollisionsfragmente, hauptsächlich aus dem Eismantel des Vorläufers, heute noch den Saturn umkreisen: als Ringe. Das Szenario könnte zudem erklären, weshalb die geologisch jungen Saturnringe hauptsächlich aus Eis bestehen. Und die vielen Krater auf Mimas wären die Folge später herabgeregneter Brocken seines zertrümmerten Vorgängers.

Es sei unwahrscheinlich, dass Mimas geologisch alt ist, also zusammen mit Saturn vor 4,5 Milliarden Jahren entstand, ist auch ein Team um Alyssa Rhoden vom Southwest Research Institute im US-Bundesstaat Colorado überzeugt. Mit ihrem im Juni 2024 in den Earth and Planetary Science Letters publizierten Computermodell klärten die Forscher, wie sich das Mimasmeer entwickelt hat. Das Modell bringt die entscheidenden Parameter dafür zusammen: die Dicke der Eiskruste, die Exzentrizität der Umlaufbahn um Saturn und die Heizung durch die Saturngezeiten.

Was sich genau im Saturn-System ereignete, sodass die Aufschmelzung in Gang kam, lässt Rhoden offen. Sie spricht allgemein von einem „dynamischen Ereignis“. Dieses habe jedenfalls die Exzentrizität der inneren Saturnmonde erhöht. Klar ist, dass das Mimasmeer mit nur zehn Millionen Jahren geologisch jung ist. Das zeigen auch Rhodens Berechnungen. Die Wissenschaftlerin schätzt, dass die Aufschmelzung vor 25 Millionen Jahre begann. Die Umlaufbahn des Mondes sei damals elliptischer gewesen, vom 2,5- bis 3-Fachen der gegenwärtigen Exzentrizität, und nimmt seitdem ab. Laineys Team war zu ganz ähnlichen Werten gekommen.

Hoffnung für die Astrobiologie

Zurück ins Jahr 1789: Schon 20 Tage vor der Mimas-Entdeckung hatte William Herschel einen anderen Saturnmond aufgespürt: Enceladus. Mit 504 Kilometern ist er etwas größer, aber deutlich dichter als Mimas. Als vor knapp zwei Jahrzehnten Cassinis Instrumente enthüllten, dass er Fontänen aus Wasserdampf und Eispartikeln ins All schleudert, avancierte Enceladus zu einem zentralen Studienobjekt der Planetologen. Heute weiß man, dass der Mond ebenfalls ein globales Tiefenmeer besitzt.

Als das James-Webb-Weltraumteleskop Enceladus im November 2022 anvisierte, gab es wieder eine Überraschung: Die ihn einhüllende Wolke, die von den Fontänen jede Sekunde mit 300 Kilogramm Dampf gespeist wird, ist viel größer als gedacht. Im Infraroten war sie noch 40 Mondradien entfernt nachweisbar.

Seit Cassini ist der kleine Trabant im Fokus bei der Suche nach außerirdischem Leben. Denn die Fontänen stehen wahrscheinlich mit dem Tiefenmeer in Verbindung. Anhand der ausgestoßenen Eispartikel kann man relativ leicht die marinen Umweltbedingungen rekonstruieren. Denn wahrscheinlich sind die Partikel Wassertröpfchen aus dem Ozean, die mit der Dampfwolke ausgestoßen werden und beim Kontakt mit der Weltraumkälte schockgefrieren. Im Eis sind im Meerwasser gelöste Salze sowie andere Moleküle eingeschlossen.

Das Meer des Enceladus zeigt sich lebensfreundlich, wie aus der Studie eines internationalen Teams um Frank Postberg hervorgeht, die im Sommer 2023 in der Fachzeitschrift nature erschien. Sie wies im Ozean ein wichtiges Element für die Entstehung von Leben nach: Phosphor. Die ausgewerteten Daten des Staubdetektors (Cosmic Dust Analyzer, CDA) an Bord von Cassini ergab, dass die Eispartikel Phosphate enthalten.

Gelöst im Sodameer

Aus früheren Auswertungen von CDA-Messungen ging bereits hervor, dass der Tiefenozean ein Sodameer ist, also viele gelöste Carbonate enthält. Zudem gibt es darin viele reaktive und teils komplexe organische Verbindungen. Die Forscher fanden auch Hinweise auf heiße Quellen am Meeresgrund.

Darüber hinaus wurde deutlich, dass die bioessenziellen Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel alle auf Enceladus vorkommen. Nur in Sachen Phosphor war die Lage ungewiss. In Form gelöster Phosphate ist dieses Element aber unabdingbar für jede bekannte Lebensform: etwa für die Bildung der Erbsubstanz DNA oder als chemische Zutat für die Zellwände oder das Knochengerüst. Auch bei der Energieumwandlung in Zellen spielen Phosphate in Gestalt von Adenosintriphosphat (ATP) eine entscheidende Rolle. Kurzum: Leben wie wir es kennen, ist ohne dieses Element unmöglich.

Obwohl Postbergs Team bereits jahrelang die Eispartikel von Enceladus analysierte, gingen die Phosphate erst kürzlich ins Netz. Zunächst wurden die Forscher bei neun besonders salzhaltigen Eispartikeln fündig, später auch bei weiteren. In den CDA-Spektren war zum Beispiel die Signatur von Natriumhydrogenphosphat (Na₂HPO₄) deutlich erkennbar. Die Verbindung besteht aus Phosphor-, Sauerstoff-, Wasserstoff- und Natrium-Atomen. Den Analysen zufolge liegt die Konzentration um das 100- bis 1.000-Fache über den Werten in irdischen Meeren. Dies erklärt sich, wie Teammitglieder in Japan im Experiment nachvollziehen konnten, aus der erhöhten Löslichkeit der Phosphate in dem stark carbonathaltigen Sodameer.

Wasser, Phosphate, weitere Salze, organisches Material und genügend Energie – für Postberg ist auf Enceladus alles biologisch Nötige vorhanden. Sein Fazit: „Es ist inzwischen wahrscheinlich, dass der Mond lebensfreundliche Bedingungen für mikrobielle Lebensformen hat, wie wir sie auch aus der Frühzeit der Erde kennen. Wie wahrscheinlich es ist, dass sich bei solchen Bedingungen auch tatsächlich Lebensformen bilden, bleibt aber die große Unbekannte.“

Tigerstreifen am Südpol

Unklar ist, wie es mit dem Meer von Enceladus weitergeht. Manche Forscher sehen Hinweise, dass es bereits ausfriert, die äußere Eiskruste also dicker wird. Eine Hypothese von Douglas J. Hemingway von der University of Texas in Austin und zwei seiner Kollegen besagt, dass die Kruste dadurch starken Spannungen ausgesetzt ist und an einigen Stellen bis in große Tiefe aufreißt. Tatsächlich existiert ein solches Bruchsystem in der Region um den Südpol, wo aus den sogenannten Tigerstreifen Eis- und Dampffontänen ins All schießen.

Ist es also bald vorbei mit dem Meer von Enceladus? Rhoden weist auf einen wichtigen Unterschied zwischen Mimas und Enceladus hin: Die Umlaufbahn von Enceladus ist in einer Resonanz mit dem weiter außen kreisenden Mond Dione gefangen – Enceladus hat auf jedem zweiten Orbit eine Begegnung mit Dione. Die Folge: Die Exzentrizität seiner Umlaufbahn wird stabilisiert und bleibt hoch, obwohl die Gezeiten sie eigentlich in einen Kreis verwandeln müssten. „Zwar gibt es Anzeichen dafür, dass der Enceladus-Ozean langsam ausfriert, doch wird dies über einen viel längeren Zeitraum passieren als bei Mimas“, lautet Rhodens Fazit.

Neue Überraschungen bei den geheimnisvollen Eiswelten Saturns sind zu erwarten, wenn neue Raumsonden dorthin fliegen. Momentan werden Missionen konzipiert. Auch eine Landung auf Enceladus ist geplant, allerdings nicht vor dem Jahr 2050.