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Ceres: Rätsel der blauen Flecken gelöst

Bläuliche Stellen auf dem Zwergplaneten gehen auf "aufgeschäumte" Minerale zurück

Haulani
Die Oberfläche des Zwergplaneten Ceres ist an einigen Stellen auffallend bläulich, wie hier am jungen EInschlagskrater Haulani. © NASA/JPL-Caltech, UCLA, MPS/DLR/IDA/PSI

Geheimnis gelüftet: Forscher haben herausgefunden, warum einige Stellen auf dem Zwergplaneten Ceres ungewöhnlich blau gefärbt sind. Wie Laborexperimente enthüllten, stecken bei Einschlägen aufgewirbelte, eishaltige Schichtsilikat-Minerale dahinter. Im Vakuum des Alls verdampft das Wassereis und lässt unzählige winzige Hohlräume im Mineral zurück. Diese brechen das Licht so, dass der blaue Anteil verstärkt reflektiert wird – als Folge erscheinen diese Stellen bläulich.

Der knapp tausend Kilometer große Zwergplanet Ceres kreist am äußeren Rand des Asteroidengürtels um die Sonne. Obwohl er schon im Jahr 1801 entdeckt wurde, hat erst der Besuch der NASA-Raumsonde Dawn im Jahr 2015 die ungewöhnliche Beschaffenheit dieses Zwergplaneten aufgedeckt. Denn anders als viele Asteroiden enthält seine Kruste reichlich Wassereis und auf hydrothermale Aktivität hindeutende Salze. Sogar Eisvulkane könnte es auf Ceres geben.

Was macht die Oberfläche blau?

Doch ein Merkmal des Zwergplaneten blieb rätselhaft: Fotos und Spektralmessungen zeigten an einigen Stellen seiner Oberfläche ungewöhnlich bläulich gefärbte Stellen. Sie kommen im Umfeld einiger Einschlagskrater vor, darunter dem rund zwei Millionen Jahre alten Krater Haulani. Spektralmessungen ergaben, dass an diesen blauen Flecken sogenannte Schichtsilikate vorkommen – eine der häufigsten gesteinsbildenden Mineral-Gruppen der Erde.

Um herauszufinden, warum diese Schichtsilikate so merkwürdig blau gefärbt erscheinen, haben Stefan Schröder vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt und seine Kollegen nun das mögliche Geschehen im Labor nachgebildet. Ausgangspunkt war die Annahme, dass diese Stellen bei Meteoriteneinschlägen entstehen. „Solche Einschläge mischen die Schichtsilikate der Oberfläche mit Wassereis aus tieferen Schichten und erzeugen einen Auswurf aus eisigem Schlamm“, erklären die Forscher.

Mineralschaum im Vakuumlabor

Für ihr Experiment setzten die Forscher ein solches mit Wassereis gemischtes Schichtsilikat tiefen Temperaturen von minus 100 Grad und einem Vakuum aus – ähnlich wie es auf Ceres der Fall wäre. Wie erwartet verdampfte das Wasser unter diesen Bedingungen rasch: „Ceres hat keine Atmosphäre, deshalb ist Wassereis an der Oberfläche nicht stabil und sublimiert rasch, geht also direkt von der festen Phase in die gasförmige über“, erläutert Schröder.

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Ablauf
Ablauf der „Aufschäumung“ durch sublimiertes Wassereis. © S. Schröder et al.

Das Spannende jedoch: Das verdampfende Eis hinterließ unzählige Poren und Hohlräume in den Schichtsilikaten, die teilweise nur noch von hauchdünnen Filamenten zusammengehalten wurden. Gleichzeitig nahm das Volumen des Minerals durch die Eissublimation um das Fünf- bis Zehnfache zu – das Material wurde geradezu aufgeschäumt. „Zurück bleibt eine feinporöse, fast schaumige Staubschicht“, berichtet Schröder.

Lichtstreuung wie beim blauen Himmel

Diese Strukturveränderung hat auch Auswirkungen auf das Lichtbrechungsverhalten des Materials, wie Messungen enthüllten: Statt fast das komplette Spektrum des Sonnenlichts zurückzuwerfen, absorbieren die „aufgeschäumten“ Schichtsilikate die langwelligen Farbanteile des Lichts und streuen und reflektieren verstärkt den blauen, kurzwelligeren Anteil des Lichts. Dadurch schimmert das Material nun bläulich.

„Das ist vergleichbar mit dem Phänomen, dass uns der Himmel auf der Erde blau erscheint“, erklärt Schröder. „Ganz ähnlich findet dieser Effekt, auch ‚Rayleigh-Streuung‘ genannt, an den Hohlräumen der Schichtsilikate auf Ceres statt, aus denen das Wasser entwichen ist.“ Als entscheidend für diesen Effekt identifizierten die Wissenschaftler die weniger als einen Mikrometer dünnen Mineralfilamente, die die Hohlräume im aufgeschäumten Mineral durchziehen.

Erosion lässt Blauschimmer mit der Zeit verblassen

Nach Ansicht der Forscher liefert ihr Experiment damit eine plausible Erklärung für die blauen Flecken auf dem Zwergplaneten Ceres: „Einschläge erzeugen einen Schichtsilikat-Schlamm, der an der Oberfläche schnell gefriert und dann sublimiert. Das führt dann zur Bildung des porösen Rückstands, dessen Netzwerk aus Submikrometer großen Lichtbrechungszentren die Rayleigh-Streuung ermöglicht“, schreiben Schröder und seine Kollegen.

Dieses Szenario kann auch erklären, warum diese blauen Stellen nur an jungen Einschlagskratern zu beobachten sind: „Die Weltraum-Umgebung erodiert diese Sublimations-Rückstände mit der Zeit“, so die Forscher. Weil dabei die feinen, lichtbrechenden Filamentstrukturen kaputtgehen, lässt auch die bläuliche Reflektion nach. (Nature Communications, 2021; doi: 10.1038/s41467-020-20494-5)

Quelle: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

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