Wie Jupiter Moon Europa Underground Ocean entdeckt wurde

Dies ist Teil 4 einer sechsteiligen Serie, die die Geschichte der Bemühungen der Menschheit erzählt, die Ursprünge des Lebens zu verstehen, indem man in extremen Umgebungen danach sucht, wo das Leben gedeiht, ohne sich auf die Sonne als Energiequelle zu verlassen.

Es folgt eine ozeanographische Expedition zu den Mid-Cayman Rise von Chris German von der Woods Hole Oceanographic Institution und NASA Bemühungen, eine zukünftige Mission zum Jupitermond Europa zu planen. Wenn wir verstehen, wie das Leben ohne die Sonne leben kann, können wir entdecken, wie das Leben auf unserem Planeten begann und ob die Erde der einzige Ort im Universum ist, der eine Biosphäre unterstützen kann.

1977 war die Art von Jahr, die nur einmal alle 176 Jahre kommt. Das ist, wie oft die äußeren Planeten unseres Sonnensystems (Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun - sorry, Pluto) gerade auf ihren Umlaufbahnen um die Sonne herum ausgerichtet sind, damit ein Raumschiff an allen vier vorbeifliegen kann.

Anstatt bis zum Jahr 2153 zu warten, entschied die NASA, die Gelegenheit von 1977 zu nutzen. Die Weltraumagentur startete im September und August desselben Jahres die Twin-1-Tonnen-Raumsondensender Voyager 1 und Voyager 2 von Floridas Cape Canaveral. [Voyager: Die fernste Reise der Menschheit (Video)]

Die Voyager-Mission sollte nur vier Jahre dauern, und technisch gesehen waren beide Raumschiffe nur auf Jupiter und Saturn unterwegs. Missionsdesigner hatten die Flugbahn der Voyager 2 so geplant, dass sie weiter in Richtung Uranus und Neptun gehen konnte, wenn die Voyager 1 (die auf der zweiten, aber auf einer schnelleren Route startete) bei Jupiter und Saturn erfolgreich war. Zweiundfünfzig Welten und zwölf Jahre später, die Volkswagen Beetle-Größe Sonden brachten neue Bedeutung für den Erfolg in der Planetenforschung.

Ihre Reisen zu den äußeren Planeten gaben der Menschheit einen Platz in der ersten Reihe, um das halbe Sonnensystem zum ersten Mal aus der Nähe zu betrachten (NASA's Raumsonde Pioneer 10 und 11 hatte 1973 und 1974 an Jupiter vorbeigeschossen, war aber weit weniger fähig) und ergab signifikant weniger Daten).

Die Voyager-Sonden schickten atemberaubende Bilder des Großen Roten Flecks auf Jupiter zurück, die enthüllten, dass es sich um einen tobenden Sturm von der Größe von zwei Erden handelt. Saturns Ringe - die sich glatt und geordnet deuteten - entpuppten sich als merkwürdig ineinander verschlungen und geknickt. Die Mission entdeckte weiter, dass Uranus auf seiner Seite umkreist und Neptun die schnellsten Winde im Sonnensystem hat.

Und das waren nur die Planeten. Die 48 vom Voyager-Schiff erbeuteten Monde waren wohl noch auffälliger als ihre Elternplaneten.

Jupiters galiläische Monde

Die größten Jupiter-Satelliten sind die vier Galileischen Monde Io, Ganymed, Callisto und Europa, die nach ihrem Entdecker, dem italienischen Astronomen Galileo Galiläa, benannt sind.

Galileo entdeckte sie 1610, nachdem er sein Teleskop so eingestellt hatte, dass es eine Vergrößerungsfähigkeit von 20x (20-mal besser als das bloße Auge) erreichte. Diese vier Welten waren die ersten Monde, die einen anderen Planeten als die Erde umkreisten. (Da unser eigener Mond furchtbar schwer zu übersehen ist, werden wir nie wissen, wer der Erste war, der aufschaute und sagte: "Was ist das?" Somit ist es wahrscheinlich sicher, Galileo mit der Entdeckung von Monden zu kreditieren.)

Die galiläischen Monde waren aus der Nähe voller Überraschungen. Ein aktiver Vulkan wurde auf dem innersten der Galileischen Monde, Io, entdeckt. Er spritzte Asche und Gase mit einer kolossalen Höhe von 280 Kilometern - der erste Beweis für aktiven Vulkanismus jenseits der Erde.

Das Missionsteam würde im Verlauf der Mission ein halbes Dutzend Vulkanausbrüche auf Io finden. Teamchef Brad Smith sagte, dass dies Io wie eine Pizza aussehen ließ. Später würden die Astronomen mehr als 400 aktive Vulkane identifizieren und Io zur geologisch aktivsten Welt in unserem Sonnensystem machen.

Man könnte meinen, dass eine solche Welt eine heiße Welt ist, aber du liegst falsch. Der größte Teil von Ios Oberfläche ist minus 238 Grad Fahrenheit (minus 150 Grad Celsius). Kolossale Eruptionen von Gasen kondensieren und fallen als pastellgelber, orange und bläulich-weißer Schwefeldioxidschnee an die Oberfläche zurück.

Das macht Io zum Traum eines Surrealisten: feurige Hölle plus Winterwunderland mit einer alles über-schwefligen Pizzafläche und den aufgewühlten Wolken des Jupiter, die über dem trüben Himmel aufragen. [Erstaunliche Fotos: Jupiters vulkanischer Mond Io]

Gezeitenkräfte

Die Vulkane von Io zu entdecken, war für die Astronomen eine rauchende Waffe an einem Tatort - sie enthüllten sofort einen Großteil der Geheimnisse des Mondes.

Die Vulkane bestimmten Ios wirbelnde Farbpalette - Rot, Gelb, Braun, Grün und grauweißen Schwefeldioxid-Frost. Sie haben auch die Wissenschaftler auf das Phänomen der Gezeitenerwärmung aufmerksam gemacht, das die Ursache für Ios Agitation und die Quelle der Hoffnung ist, Wächtershäusers Hydrothermalentheorie jenseits unseres Heimatplaneten zu testen.

Die vulkanische Aktivität auf der Erde wird durch eine Wärmequelle erzeugt, die aus der Energie stammt, die durch den Zerfall radioaktiver Stoffe tief im Inneren des Planeten freigesetzt wird, und auch von der Wärme, die bei ihrer Entstehung entsteht.

Aber Io ist zu klein für überschüssige Hitze und zu aktiv, um seine Vulkane durch radioaktiven Zerfall erklären zu können. Stattdessen zieht die starke Gravitationskraft von Jupiter Io nach innen, während die schwächeren Gravitationskräfte der benachbarten galiläischen Monde Europa und Ganymed Io nach außen ziehen.

Diese drei Monde fallen tatsächlich in einen eleganten, stabilisierenden Tanz, der als orbitale Resonanz bezeichnet wird, wo Io genau doppelt so schnell um Jupiter herumfährt wie Europa, das doppelt so schnell ist wie Ganymed. Dadurch verändert sich der Abstand zwischen Io und Jupiter entlang seiner Umlaufbahn, während der Mond mit den konkurrierenden Kräften (oder Gezeitenkräften) kämpft.

Diese gewaltigen Gezeitenkräfte wechseln sich ab mit dem Zusammendrücken und Dehnen des Kerns des Mondes, wodurch die Oberfläche von Io jedes Mal, wenn sie einen Orbit absolviert, sich alle 42,5 Stunden um ein Fußballfeld hebt und senkt.Ein solches Quetschen und Dehnen verursacht Reibung. Reibung verursacht Hitze und Druck. Hitze und Druck führen dazu, dass geschmolzenes Material und Gase von der Oberfläche explodieren. Daher Vulkane.

Jupiter, der Riese unseres Sonnensystems, ist ebenso faszinierend wie fotogen. Wie viel wissen Sie über den König der Planeten?

Alle Augen auf Europa

Ios rauchende Waffe zeigte geradewegs auf ihren Nachbarn, den nächsten galiläischen Mond zu Jupiter: Europa. Zur Zeit des Vorbeiflugs von Voyager 1 am 5. März 1979 von Io hatten die Wissenschaftler gerade begonnen, das innere Erscheinungsbild der galiläischen Monde zu überdenken. Wenn es auf Io Gezeitenwärme gibt, zum Teil verursacht durch die Gravitationskräfte von Europa und Ganymed, würde es nicht auch ähnliche Kräfte auf Europa und Ganymed geben?

Einen Monat nach dem Io-Vorbeiflug kam die Voyager 1 innerhalb einiger hunderttausend Meilen von Europa, obwohl ihre Flugbahn geplant war, sie um Jupiter und vom Mond zurückzubringen. Wissenschaftler mussten weitere vier Monate auf Voyager 2 warten, um Europa näher zu kommen. [Fotos: Europa, geheimnisvoller Eismond des Jupiter]

Als Voyager 2 Europa erreichte, waren die Hoffnungen des Teams hoch. Sie wussten, dass Europa in seiner eisigen Außenschicht reich an Wasser war. Wenn es auf Europa eine Gezeitenerwärmung gäbe, könnte es dann so stark sein, dass es den Boden der Eiskruste des Mondes schmelzen lässt, vielleicht ein Atemzug - ein flüssiger Wasserozean?

Manche dachten sogar, sie würden mehrere Kilometer lange Geysire aus der eisigen Hülle sehen. Aber als die ersten Fotos eintrafen, fand das Team keine Geysire. Stattdessen wurden sie mit einem riesigen weißen Augapfel konfrontiert, der in die Kamera starrte und mit breiten braunen Adern übersät war, die sich über die gesamte Oberfläche schnitten.

Wenn Sie über diese Oberfläche gehen würden, würden Europas Streifen fast wie gemalt aussehen. Es gibt fast keine Höhenänderung über den größten Teil des Mondes. Einige Wissenschaftler denken, dass die Streifen Risse im Eis sein können, die Stücke der Kruste auseinander spreizen - nicht anders als Meeresboden, der sich auf der Erde ausbreitet -, was flüssiges Wasser aus dem darunter liegenden Ozean aufstaut und wieder gefriert, wodurch ein jüngerer Streifen eisiger Oberfläche entsteht.

Trotz der Abwesenheit von Geysiren oder Vulkanen auf seiner Oberfläche, erlebt Europa starke Gezeitenkräfte. Auf der Erde steuert die Gezeitenkraft unseres Mondes die Gezeiten des Ozeans, die beeinflussen, wenn die Schiffe einen Tag lang angeln oder eine Sandburg am Strand eine Stunde nach dem Bau ihren Untergang erleben wird.

Aber auf Europa sind die Auswirkungen seines Gastgeberplaneten etwas steiler. Jupiter ist so viel größer als unser Mond - 30.000 Mal massereicher - und so nah an Europa, dass seine Flut den 3.000 Meilen (3.200 km) großen Mond um mehr als 30 Meter (100 Fuß) dehnt.

Dadurch wird auch die Umlaufbahn des Mondes immer ein wenig unrund, was der Umlaufbahn eine winzige Exzentrizität verleiht, die jedoch enorme Auswirkungen hat. Riesige Gezeitenkräfte sind die entscheidenden Faktoren, die darauf hindeuten, dass Europas Ozean in seiner flüssigen Phase bleiben kann, anstatt vollständig in die darüber liegende Eisschicht einzufrieren. Laut Planetenwissenschaftlern folgt aus dieser subtilen Exzentrizität alles Interessante an Europa.

Die Beweise steigen

Ein weiterer Beweis für flüssiges Wasser auf Europa kam von der Galileo-Mission der NASA, die 1989 ins Leben gerufen wurde und die viel größere wissenschaftliche Feuerkraft auf Jupiter und seine Monde brachte. Insbesondere hat Galileo das europäische Magnetfeld gemessen und festgestellt, dass es alle fünfeinhalb Stunden die Richtung wechselt - ein weiteres Nebenprodukt des dominierenden Einflusses seines Wirtsplaneten. [Europa und sein unterirdischer Ozean (Video)]

Wenn ein elektrischer Leiter in einem variierenden Magnetfeld angeordnet wird, werden elektrische Ströme induziert. Diese Ströme werden dann ein Magnetfeld induzieren, das in die entgegengesetzte Richtung zu dem ursprünglichen Magnetfeld ausgerichtet ist, das den Strom erzeugte, teilweise löschte es aus.

Da Jupiter ein starkes Magnetfeld hat und seine Rotationsachse nicht genau mit seiner magnetischen Achse übereinstimmt, kreuzt Europa alle 5 1/2 Stunden von der Nordseite zur Südseite des Jupiter-Magnetfelds - oder umgekehrt.

Stellen Sie sich vor, Sie sind Jupiter und Europa umkreist Ihren Gürtel. Stellen Sie sich nun vor, dass Sie zum ersten Mal versuchen, Hula-Hoop zu lernen. Der wackelige Reifen ist die Umlaufbahn des Jupiter-Magnetfelds und jedes Mal, wenn er deinen Gürtel berührt, wackelt er in eine andere Richtung. Hoch, runter, hoch, runter, hoch, runter. Dies führt dazu, dass die Ausrichtung des Magnetfelds in Europas Umlaufbahn variiert, wenn Jupiter rotiert.

In Europa würde ein Magnetfeld, das in die entgegengesetzte Richtung von Jupiter gerichtet ist, anzeigen, dass der Mond irgendwo einen massiven elektrischen Leiter hat. Und es kommt eben so vor, dass ein unter der Oberfläche schluckender Salzwasserozean der Vorhersage für diesen elektrischen Leiter ziemlich gut entspricht.

Zusammen mit seinen beiden Landsleuten Io und Ganymed tanzt Europa einen gewalttätigen, synchronisierten Tango um seinen Wirt herum, der Reibung verursacht und ein magnetisches Feld induziert - genug, sagen viele Wissenschaftler, um das Vorhandensein eines schwelenden Ozeans irgendwo unter Meilen von gelegentlichem Schereis anzuzeigen.

Unterhalb dieses potentiell 100 Meilen tiefen Ozeans kann es einen Meeresboden geben, der sich nicht sehr von unserem unterscheidet.