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Astronomie|Physik

Wie Charons rote Polkappe entstand

Charon
Der Plutomond Charon und seine rote Polkappe. © NASA / Johns Hopkins APL / SwRI

Der Plutomond Charon trägt an seinem Nordpol eine auffallend rötliche „Kappe“ aus organischem Material. Jetzt haben Planetenforscher näheres dazu herausgefunden, wie diese Tholin-Ablagerungen entstanden sind. Demnach sind sie das Ergebnis einer komplexen Reaktionskette, an deren Anfang vom Pluto herübergewehtes Methan steht. Dieses friert im Polarwinter des Charon aus und wird von kosmischer UV-Strahlung in Ethan umgewandelt. Im Polarsommer gast das restliche Methan wieder aus, das Ethan bleibt aber zurück und reagiert unter Einfluss des Sonnenwinds zu immer komplexeren organischen Molekülen. Das Ergebnis sind schließlich die rötlichen Tholin-Ablagerungen.

Der Zwergplanet Pluto und sein größter Mond Charon bilden ein Ausnahme-Duo im Sonnensystem. Denn sie sind sich in Größe und Verhalten so ähnlich, dass sie fast schon einem Doppelplaneten gleichen. Beide Himmelskörper sind zudem nur 17 Plutoradien voneinander entfernt und kehren einander immer die gleiche Seite zu. Einen bedeutenden Unterschied gibt es allerdings: Während Pluto eine ausgedehnte stickstoff- und methanhaltige Atmosphäre besitzt, ist die Gashülle von Charon extrem dünn und kaum nachweisbar. Umso überrascheter waren Planetenforscher, als erste Aufnahmen der NASA-Raumsonde New Horizons im Sommer 2015 die Existenz einer auffallend roten Polkappe auf dem Plutomond Charon enthüllten. „Vor New Horizons war von ihm nur ein unscharfer Fleck reflektierten Lichts zu sehen“, erklärt Randall Gladstone vom Southwest Research Institute in Texas. Er ist Co-Autor von gleich zwei Fachartikeln, die sich mit der Entstehung dieser roten Polkappe Charons beschäftigt haben.

Charons Chemie auf die Erde geholt

Die rötlich gefärbte Polkappe bedeckt das Gebiet nördlich des 70. Breitengrads von Charon und wurde informell Mordor Macula getauft. Die rötliche Farbe der polaren Ablagerungen ließ Forscher vermuten, dass es sich hierbei um Tholine handeln könnte – organische Moleküle, die beim photochemischen Abbau von Kohlenwasserstoffen wie Methan und Ethan durch ultraviolette Strahlung gebildet werden. Solche Tholine verleihen unter anderem der dichten Atmosphäre des Saturnmonds Titan ihre orangerote Färbung. 2016 ermittelten Planetenforscher anhand von Daten der Raumsonde New Horizons und Modellsimulationen, dass der Plutomond Charon den Rohstoff für das Tholin von seinem Nachbarn Pluto bekommen könnte: Durch Ausgasung verliert der Zwergplanet ständig Methan an den Weltraum, der dann in Teilen in das Schwerefeld des Charon gerät und dort auf dessen Nachtseite ausfriert. Den Berechnungen zufolge kommen pro Sekunde und Quadratmeter rund 27 Milliarden Methanmoleküle am Plutomond an.

Wie es auf Charon mit dem Methan weiter geht, haben nun Gladstone und seine Kollegen mithilfe von Laborexperimenten und Modellsimulationen näher untersucht. Dafür bildeten sie die Oberflächenbedingungen auf dem Plutomond in einer speziellen Vakuumkammer nach und beobachteten, was unter dem Einfluss der Jahreszeiten sowie der UV-Strahlung angeregter Wasserstoffmoleküle, der sogenannten Lyman-Alpha-Strahlung, im interplanetaren Raum passiert. „Unsere Photolyse-Experimente lieferten dabei Hinweise auf Beschränkungen für die Synthese von Charons rotem Material“, berichtet Gladstones Kollege Ujjwal Raut. Denn wie sich zeigte, kommt es vor allem während der kurzen Übergänge zwischen Sommer und Winter zu einer Art Hemisphärenwechsels des Methans: Das zuvor vorwiegend am Südpol angelagerte Methaneis sublimiert unter der dort zunehmenden Sonneneinstrahlung und erzeugt für eine kurze Übergangszeit von wenig mehr als einem Jahr eine temporäre, dünne Methanatmosphäre um den Plutomond. Sehr schnell gefriert das Methan aber über der nun dunklen Nordpolarregion wieder aus.

Umwandlung in zwei Schritten

„Diese drastischen saisonalen Schübe in der dünnen Atmosphäre des Charon sind der Schlüssel, um die Entstehung von Charons roter Polarzone zu verstehen“, sagt Raut. Denn wie die Untersuchungen ergaben, reichert sich durch das Ausgefrieren des Methans im Herbst eine mehrere Dutzend Mikrometer dicke Schicht Methaneis am Nordpol ab. Während des rund 100 Jahre langen Winters kommen weitere Mikrometer hinzu. Das Problem dabei: Diese Methanschicht ist zu dick, um durch die diffuse UV-Strahlung aus dem All in Tholin umgewandelt zu werden. Denn noch bevor der mehrschrittige chemische Prozess ablaufen kann, wird die oberste Schicht schon wieder von neuem Methan überdeckt und damit dem Einfluss der Strahlung entzogen, wie das Team erklärt. Aus ihren Experimenten und Modellen geht aber hervor, dass die Zeit ausreicht, um während des Nordwinters auf Charon das Methaneis in farbloses Ethan umzuwandeln.

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Der entscheidende Schritt zur Bildung der roten Tholine findet entgegen bisheriger Annahme dagegen erst dann statt¸ wenn das Polargebiet des Charon wieder von der Sonne beleuchtet wird: Das verbliebene Methan verdampft dann wieder, nicht aber das Ethan: „Ethan ist weniger flüchtig als Methan und bleibt daher auch lange nach dem Frühlings-Sonnenaufgang auf der Charon-Oberfläche gefroren“, erklärt Raut. Dadurch gerät dieses Ethan nun unter den Einfluss der geladenen Teilchen des Sonnenwinds – und diese setzen die weiteren chemischen Umwandlungen in Gang: „Während der rund 30 Jahre des Polarsommers kann der Sonnenwind das zuvor von der Lyman-Alpha-Strahlung erzeugte Ethaneis zur Reaktion bringen und die komplexen Molekülstrukturen erzeugen, die die rote Farbe hervorrufen“, erklären die Forscher. Die rote Polkappe des Plutomonds ist demnach das Produkt von zwei Umwandlungsschritten, die zu unterschiedlicher Zeit ablaufen.

Quelle: Kurt Retherford (Southwest Research Institute, San Antonio) et al., Geophysical Research Letters, doi: 10.1029/2021GL097580; Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.abq5701

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