Feuer und Eis auf Europa

Zwar kommt Europa Jupiter nicht so nah wie sein feuriger Nachbarmond. Doch auch der eisige Trabant steht im Bann der Jupiter-Gezeiten. Zusätzlich wirkt sich der gravitative Einfluss der benachbarten Monde Ganymed und Io aus. Aber reicht das Gezerre der Gezeiten, um auf Europa genügend Wärme für vulkanische Prozesse zu erzeugen?

Vor wenigen Monaten publizierte ein Team um Marie Bˇehounková von der Karls-Universität in Prag dazu die Resultate eines Computermodells. Die Wissenschaftler analysierten, wie sich Europas Wärmehaushalt im Verlauf der Jahrmilliarden entwickelt hatte. Das Ergebnis war, dass immer dann, wenn sich die Bahn des Mondes stärker elliptisch verformte, die Wärmeproduktion durch die Gezeitenheizung zunahm. Dadurch staute sich die Wärme in der Tiefe auf, bis das Gestein des Mantels teilweise schmolz.

Die Wissenschaftler sagen zudem voraus, dass diese vulkanische Aktivität besonders in der Nähe des Nord- und Südpols auftritt, denn in den hohen Breiten entsteht die meiste Wärme. Ob dort auch gegenwärtig Vulkane aktiv sind, lässt die Studie offen. Marie Bˇehounková meint außerdem: „Unsere Ergebnisse liefern zusätzliche Belege, dass Europas unterirdischer Ozean eine Umgebung sein könnte, die für die Entstehung von Leben geeignet ist.“

Wasser aus Europas Meer

Vor sieben Jahren haben Astronomen über den Eislandschaften Europas schwache wolkenartige Strukturen aus Wasserdampf entdeckt (bild der wissenschaft 10/2014, „Fontänen, Eis und Chaos“). Sie ragten bis zu 200 Kilometer ins All. Die Vermutung lag nahe, dass der Dampf mit dem Wasser des Tiefenmeers in Verbindung steht. Die damaligen Beobachtungen stammten vom Hubble-Weltraumteleskop. Allerdings lagen sie an der Grenze des technisch Machbaren. Deshalb nahmen sich Planetenforscher nun noch einmal die magnetischen Messungen der Galileo-Sonde vor, um die Sichtungen zu bestätigen.

Jupiters Magnetfeld ist bis zu 20 Mal so stark wie das irdische und reicht mehrere Millionen Kilometer ins All. In dieser Zone verläuft Europas Umlaufbahn. Im Dezember 1997 kamen sich Galileo und Europa besonders nah – bis auf 206 Kilometer. Ein Forscherteam um Xianzshe Jia von der Ann Arbor University im US-Bundesstaat Michigan wertete die entsprechenden Galileo-Daten aus. Das 2018 publizierte Ergebnis: Kurz vor der größten Annäherung registrierte das Magnetometer an Bord für drei Minuten deutliche Abweichungen von den Werten, die zuvor und danach gemessen wurden. Hinzu kam ein sprunghafter Anstieg der Plasmadichte, den ein weiteres Instrument aufzeichnete, das Plasma Wave Subsystem. Die Wissenschaftler deuten dies als Wirkung einer Wolke über dem Mond, die mit dem Plasma im Magnetfeld Jupiters wechselwirkt.

Zum Zeitpunkt dieser Anomalie überflog die Raumsonde Galileo zudem eine Region am Äquator, über der erhöhte Temperaturen gemessen worden waren. Das erinnert an den Saturnmond Enceladus, von dem ebenfalls Fontänen bekannt sind, die aus relativ warmem Gelände ins All schießen. Auch Enceladus besitzt ein globales Meer unter seiner Kruste (bild der wissenschaft 1/2019, „Leben im Enceladus-Meer?“).

Und es gibt eine weitere Spur, nämlich vom letzten Europa-Vorbeiflug Galileos im Januar 2000. Ein Team um den niederländischen ESA-Forscher Hans Huybrighs fand auch in diesen Daten Belege für H2O-Fontänen. Die Neuauswertung wurde letztes Jahr publiziert. Die Daten stammen von dem Teilchendetektor EPD (Energetic Particles Detector) an Bord. Er zeichnete die Verteilung hochenergetischer Protonen auf, die in Jupiters Magnetfeld gefangen sind. Bei der damaligen Begegnung registrierte das Instrument deutlich weniger Protonen als erwartet. Bislang dachte man, Europa hätte die Sicht auf den Detektor verstellt.

Nun haben die Autoren Indizien für eine andere Ursache gefunden: Sie modellierten die Bewegungen der Protonen während des Vorbeiflugs im Computer und versuchten so, die Messdaten von EPD zu reproduzieren. Das gelang ihnen nur, falls auch eine Wasserfontäne die Umgebung von Europa beeinflusst hatte. Denn wenn hochenergetische Protonen in der Gashülle des Mondes auf ungeladene Wasser-Moleküle treffen, nehmen sie deren Elektronen auf und werden so selbst zu ungeladenen Teilchen – zu Wasserstoff-Atomen. „Dann sind sie nicht länger in Jupiters Magnetfeld gefangen und können das System mit hoher Geschwindigkeit verlassen“, erklärt Huybrighs die geringere Protonenzahl.

Flug durch die Wolke

Ist damit der Fall so klar wie bei den Fontänen auf Saturns Trabant Enceladus? Einen eindeutigen Beweis gebe es immer noch nicht, sagt Teammitglied Elias Roussos vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen. Aber: „Verschiedene Theorien, Modellrechnungen und sporadische Beobachtungen legen nahe, dass auch von Europa unterirdisches Wasser ins All schießt.“

Wissenschaftler der NASA wollen es genau wissen. Als Erstes werden sie ihre Juno-Sonde, die bereits fünf Jahre um Jupiter kreist, am 29. September 2022 in nur 320 Kilometer Entfernung an Europa vorbeilenken. Und für Oktober 2024 ist der Starttermin des Europa Clippers vorgesehen, Ankunft wäre dann 2030. Den Planungen zufolge wird im Sommer 2031 auch die ESA-Sonde JUICE eintreffen. Sie wird den äußeren Mondnachbarn Ganymed ins Visier nehmen, doch es soll auch zwei Begegnungen mit Europa geben. Der Europa Clipper wird sich sogar mindestens 45 Mal dem Eismond nähern und dabei dessen Oberfläche kartieren, deren chemische Zusammensetzung messen sowie die dünne Gashülle analysieren. Und falls es Ausdünstungen lokaler Vulkane gibt, etwa Methan oder molekularen Wasserstoff, dann hat der Clipper beste Chancen, sie aufzuspüren.

Die große Hoffnung ist, dass eine Sonde direkt durch eine Wasserdampfwolke gelenkt werden kann, um dort Partikel zu untersuchen, die vom Grund des Europa-Meeres stammen. Das wäre ein wichtiges Puzzlestück, um möglichen Bewohnern des außerirdischen Meeres auf die Spur zu kommen.