Der Jupitermond Europa gilt als aussichtsreichster Kandidat für außerirdisches Leben in unserem Sonnensystem. Bisher allerdings ist nur in Ansätzen bekannt, welche chemische Zusammensetzung seine Eiskruste und sein subglazialer Ozean haben. Doch eine ungewöhnliche Eigenschaft des Jupitermonds könnte helfen, darüber schon bald mehr zu erfahren: Europas Nachtseite leuchtet. Dieses Leuchten wird durch das ständige Bombardement der Eisoberfläche mit energiereichen Teilchen vom nahen Jupiter verursacht, wie Experimente nahelegen. Und das Spektrum dieser Fluoreszenz verrät, welche Moleküle im Eis präsent sind.
Auf den ersten Blick scheint der Eismond Europa abweisend und kalt. Denn seine gesamte Oberfläche ist mit Eis bedeckt, eine schützende Atmosphäre fehlt und die Temperatur liegt bei rund minus 150 Grad Celsius. Doch zehn bis 15 Kilometer unter der eisigen Oberfläche des Jupitermonds liegt eine ganz andere Welt. Denn dort gibt es einen wahrscheinlich bis zu 100 Kilometer tiefen Ozean aus flüssigem Salzwasser, wie Messdaten von Raumsonden nahelegen. Warmgehalten wird dieses Wasser von den Gezeitenkräften des Jupiter: Die je nach Position des Mondes in der Umlaufbahn wechselnde Schwerkraft staucht und dehnt Kruste und Kern des Mondes und erwärmt sie. Gleichzeitig erzeugt dies Strömungen unter dem Eis und lässt auch immer wieder Risse in der Eiskruste aufreißen, durch die Wasserdampf nach außen dringt.
Elektronen-Bombardement bringt Moleküle zum Leuchten
Bisher allerdings können Planetenforscher nur darüber spekulieren, welche chemischen Bedingungen das Wasser im subglazialen Ozean von Europa bietet und ob sie lebensfreundlich sind. Für diese Frage ist vor allem die chemische Zusammensetzung des Wassers und der darüberliegenden Eiskruste entscheidend. “Die anorganische Zusammensetzung von Europas Oberfläche zu kennen ist wichtig, um beispielsweise den Salzgehalt des Ozeans und Modelle zum Austausch zwischen Ozean und Oberfläche überprüfen zu können”, erklären Murthy Gudipati vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena und seine Kollegen. Unter anderem deshalb soll in den nächsten Jahren die Raumsonde Europa Clipper zum Jupitermond starten. Wie nun die Forscher ermittelt haben, könnte der Sonde eine ungewöhnliche Eigenschaft des Jupitermonds bei der Entschlüsselung seiner Chemie entgegenkommen: Die Nachtseite des Mondes leuchtet.
Diese Fluoreszenz ist zwar zu schwach, um von erdgebundenen Teleskopen gesehen zu werden, bei den nahen Vorbeiflügen des Europa Clipper wäre dieses Leuchten aber klar erkennbar, sagen die Wissenschaftler. Ursache dieses Scheins ist das ständige Bombardement des Jupitermonds mit geladenen Teilchen aus dem Jupitermagnetfeld. Wenn diese Teilchen auf Moleküle und Atome auf der Oberfläche von Europa treffen, geben sie Energie an diese ab. Wenn dann diese angeregten Atome wieder in ihren Grundzustand zurückkehren, geben sie die Energie in Form von Photonen ab – sie leuchten. “Eine solche vom Elektronenbombardement induzierte Lichtemission, auch als elektronenstimulierte Lumineszenz bezeichnet, wurde bei reinem Wassereis schon in mehreren Studien beobachtet”, berichten Gudipati und sein Team. Auch salzhaltiges Eis emittiert charakteristische Lichtspektren. Deshalb halten es die Forscher für sehr wahrscheinlich, dass ein solches Leuchten auch auf Europa auftritt.
Spektrale Signatur verrät Zusammensetzung
Für ihre Studie haben Gudipati und seine Kollegen nun näher untersucht, wie das Leuchten der Nachtseite von Europa konkret aussehen könnte und welche spektralen Signaturen die verschiedenen möglicherweise im Eis des Jupitermonds vorhandenen Moleküle darin hinterlassen. Dafür beschossen sie verschiedene Eismischungen mit Elektronen, deren Energie bis zu 25 Megaelektronenvolt (MeV) betrug – dies entspricht dem Energiebereich, den die auf Europas Nachtseite treffenden Teilchenströme den Berechnungen zufolge haben. Und tatsächlich: Unter Beschuss mit den Elektronen begann das Eis zu leuchten. “Die Analoga zu Europas Eis emittieren charakteristische Spektralsignaturen im sichtbaren Bereich, wenn sie energiereicher Elektronenstrahlung ausgesetzt sind”, berichten die Wissenschaftler. “Die Spektren für Wassereis haben dabei drei charakteristische Emissionsbanden.” Einer dieser Peaks liegt im violetten Bereich bei 330 Nanometer Wellenlänge, der zweite im grünblauen Bereich bei 440 Nanometern und der dritte, besonders starke hat sein Maximum im gelbgrünen Farbbereich bei 525 Nanometern.
Wie die weiteren Tests ergaben, können subtile Veränderungen in diesem Grundspektrum verraten, ob dem Wassereis Salze beigemischt sind und welche. So dämpfte die Zugabe von Kochsalz (NaCl) den Emissionspeak bei 525 Nanometern deutlich, die Präsenz von Magnesiumsulfat führte dagegen zu einer leichten Verschiebung dieses Peaks auf 560 Nanometer Wellenlänge. “Sulfat-dotierte Eisspektren zeigten zudem eine breite Emissionsschulter im roten Bereich, die bei keiner der anderen Eisarten präsent war”, berichten Gudipati und seine Kollegen. Ihren Berechnungen zufolge müssten das Leuchten und seine spektralen Signaturen stark genug sein, um von der Raumsonde Europa Clipper bei einem Vorbeiflug in rund 50 Kilometer Höhe eingefangen und ausgelesen zu werden. “Nächtliche Passagen könnten demnach genutzt werden, um eine Karte der Zusammensetzung von Europas Eisoberfläche zu erhalten”, so die Wissenschaftler. Das könnte helfen zu klären, ob Kruste und Ozean des Jupitermonds die chemischen Voraussetzungen für Leben besitzen.
Quelle: Murthy Gudipati (NASA Jet Propulsion Laboratory, Pasadena) et al., Nature Astronomy, doi: 10.1038/s41550-020-01248-1
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