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Der Saturnmond Enceladus ist einer der interessantesten Körper im Saturnsystem. Es ist eine kleine Eiswelt mit einer erstaunlich vielfältigen Landschaft und wechselvoller geologischer Strukturen. Die Existenz eines Ozeans aus flüssigem Wasser unter der Oberfläche ist nicht auszuschließen. Genug Gründe, diesen Himmelskörper näher zu betrachten.
Enceladus wurde bereits im Jahre 1789 von Wilhelm Herschel teleskopisch entdeckt. Mit einem Durchmesser von 504 Kilometern ist er an der unteren Grenze für die Einstellung des hydrostatischen Gleichgewichtes. Wäre er nur etwas kleiner, hätte die Eigengravitation von Enceladus nicht ausgereicht, um ihn in eine annähernde Kugelform zu zwingen. Die große Halbachse seiner Umlaufbahn um Saturn hat einen Durchmesser von 238.000 Kilometern bei einer Bahnexzentrizität von 0,0044. Sein Orbit ist also fast exakt kreisförmig. Er umkreist den Saturn in nur 1,37 Tagen. Die Rotation des Enceladus ist einfach gebunden: Er zeigt dem Saturn, wie der Mond der Erde, also stets dieselbe Seite. Die Oberflächentemperatur beträgt 70 Kelvin, das sind
Das folgende Foto zeigt eine maßstabsgetreue Abbildung von Enceladus im Vergleich mit England:
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Im Teleskop erscheint Enceladus punktförmig und ohne Strukturen bei einer Helligkeit von rund 12. Grössenklasse. Aufgrund der Tatsache, dass er sich vor dem Beginn der Erforschung durch Raumsonden selbst in stärksten Teleskopen nicht als kleines Scheibchen auflösen ließ, konnte man lediglich eine Obergrenze für seinen Durchmesser definieren.
Der einzige Schluss, den Teleskopbeobachtungen in Bezug auf die Oberfläche von Enceladus zuließen, war der, dass seine Oberfläche keine sehr großen Albedounterschiede aufweisen konnte, da er stets gleich hell erschien und keine Helligkeitsschwankungen in seiner Lichtkurve zeigte.
Die Modellvorstellungen tendierten zu einer kraterübersäten, dem Erdmond ähnelnden Oberfläche ohne Atmosphäre.
Unser Bild von Enceladus änderte sich schlagartig, als die Schwestersonden Voyager 1 und 2 im Jahre 1981 das Saturnsystem passierten und im Vorbeiflug auch Momentaufnahmen von Teilen der Oberfläche von Enceladus zur Erde übermittelten.
Das auffälligste Merkmal der Oberfläche ist ihre durchgehend weisse Farbe. Diese stammt von Wassereis. Unabhängig von der Farbe kann dies mit Spektralanalysen, die von den Raumsonden durchgeführt wurden, zweifelsfrei nachgewiesen werden. Häufig genügt der reine Nachweis von Wasser, um einen planetaren Körper in den Blickpunkt von Forschung und Öffentlichkeit zu rücken. Zu Recht, wie wir später noch sehen werden, denn Enceladus ist mitnichten ein geologisch toter Eisbrocken, wie es die Voyager-Bilder auf den ersten und evtl. auch zweiten Blick vermuten lassen.
Die Bilder der Voyager-Sonden zeigen zunächst zwei Großstrukturen: Die Nordhalbkugel ist kraterübersät und stellenweise sogar kratergesättigt. Das bedeutet, dass die Kraterdichte so hoch ist, dass bei der Entstehung neuer Impaktkrater ältere Krater ausgelöscht werden.
Die südliche Hemisphäre ist an Impaktkratern stark verarmt und in weiten Teilen sogar komplett frei von Einschlagskratern. Eine planetare Oberfläche, die nicht durch Wetter, Plattentektonik oder Verwitterung und Erosion abgetragen wird, ist umso älter, je mehr Impaktkrater sie aufweist, da die alten Krater nicht ausradiert werden, von den kratergesättigten Gebieten, bei denen neue Krater alte Exemplare überdecken, einmal abgesehen. Die Anzahl von Impaktkratern einer bestimmten Größe pro Fläche ist also ein Maß für das Alter der Planetenoberfläche.
Weist eine Region auch bei hoch aufgelösten Aufnahmen keine Krater auf, kann sie nicht älter als zwei bis fünf Millionen Jahre alt sein. In geologischen und astronomischen Zeitmaßstäben ist eine solche Oberfläche sehr jung und wird bei Planetenforschern als rezent angesehen.
Es muss also einen oder mehrere Prozesse geben, die die Oberfläche von Enceladus permanent erneuert.
Betrachten wir das folgende Foto der Voyager-Mission etwas genauer.
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Man erkennt deutlich die kraterarmen Regionen auf der Südhalbkugel. Diese ist von Furchen und tektonischen Brüchen durchsetzt. Einige dieser Brüche lassen sich bis in die kraterreiche Nordhalbkugel verfolgen. Es fällt sofort auf, dass die Bereiche der Nordhalbkugel, die von Tektonik geprägt sind, auf dem Bild keine Krater aufweisen. Enceladus ist also in geologisch jüngster Zeit aktiv gewesen. Vermutlich trat aus den bis zu einen Kilometer tiefen Brüchen Wasser aus und verteilte sich entlang der Bruchzonen. Voyager konnte jedoch keine im Moment des Vorbeifluges aktiven geologischen Prozesse nachweisen.
Nach der Ankunft der Cassini-Raumsonde im Saturnsystem im Jahr 2004 änderte sich das Bild von Enceladus ein weiteres Mal schlagartig. Von besonderem Interesse waren natürlich die tektonischen Brüche, insbesondere auf der Südhalbkugel.
Die erste Sensation ließ nicht lange auf sich warten: Enceladus besitzt eine dünne Atmosphäre, die scheinbar nur in der Südpolarregion auftritt. Sie besteht zu 90% aus Wasserstoff, die restlichen zehn Prozent bilden Stickstoff, Kohlendioxid und Methan. Mit einer Masse von 1,8*1020 kg ist Enceladus viel zu massearm, um eine solche Atmosphäre langfristig halten zu können. Es muss also eine Gasquelle geben, die die atmosphärischen Gase permanent nachliefert.
Ein heisser Kandidat waren die tektonischen Brüche am Südpol. Hier könnten die Gase aus dem Inneren des Mondes ausgetreten sein. Auf neuen, hoch aufgelösten Fotos zeigen sich hellblaue Verfärbungen um die Bruchstrukturen am Südpol. Das ist ein Indiz für sehr frisches Eis. Ein weiteres Anzeichen für eine junge geologische Vergangenheit ist das fast vollständige Fehlen von kleinen Impaktkratern bei der extrem hohen Auflösung der Cassini-Fotos.
Das folgende Foto zeigt einen Ausschnitt der Südpolarregion des Enceladus, aufgenommen von der Raumsonde Cassini:
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Der Beweis für eine rege geologische Aktivität bis in die heutige Zeit war also erbracht, der direkte Nachweis in Form einer fotografischen Beobachtung analog zum Vulkanismus blieb noch aus.
Dieser folgte relativ bald in Form einer Langzeitbelichtung: Im Gegenlicht wurde die aus Sicht der Raumsonde schmale Sichel des Enceladus aufgenommen. Hierbei wurden die Geysire festgehalten, die aus den tektonischen Brüchen austreten. Die Geysire erstrecken sich mindestens 100 Kilometer in den Raum. Das folgende Foto zeigt dieses Phänomen. Man erkennt die zu Strichspuren verzerrten Sterne. Da eine lange Belichtungszeit erforderlich war, wurde die Kamera dem Enceladus nachgeführt.
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Nun stellt sich die Frage nach der Herkunft der Geysire. Es muss eine innere Wärmequelle geben, die das Eis am Südpol des Saturnmondes stark erwärmt. Die nächstliegende Erklärung ist eine Erwärmung von Enceladus durch Gezeitenkräfte, analog zum Vulkanismus auf dem Jupitermond Io: In die eine Richtung zieht Saturn am Enceladus. Ausserdem hat Enceladus eine 2:1-Resonanz mit dem nächst äusseren Mond Dione: Dione hat eine exakt doppelt so lange Umlaufzeit um Saturn wie Enceladus. Diese Gezeitenkräfte heizen Enceladus auf und bringen das Eis zum Schmelzen.
Die folgende Skizze zeigt verdeutlicht die Gezeiten-Hypothese:
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Die Konzentration der Geysire auf den Südpol wird hiermit jedoch nicht erklärt. Die Erklärung liegt in der Tektonik der Brüche, der sog. "Tigerstreifen": Diese Tigerstreifen stellen eine tektonische Großstruktur, eine sogenannte Blattverschiebung dar: Befindet sich ein ruhender Beobachter auf einer Seite des Bruches, verschiebt sich die andere Seite nach links (sinistrale Blattverschiebung) oder nach rechts (dextrale Blattverschiebung). Von der anderen Seite aus hätte ein Beobachter den gleichen Eindruck. Durch diese Verschiebung entsteht Wärme, die das Eis zum Schmelzen bringt. Die folgende Skizze verdeutlicht diesen Sachverhalt, die Bewegungsrichtungen entlang der Störung sind als gelbe Pfeile gekennzeichnet.
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Die Geysire erklären auch die glatte Oberfläche der Südhalbkugel von Enceladus: Die Atmosphäre fällt als Schnee auf die Oberfläche zurück.
Ausserhalb des schmalen F-Ringes befindet sich ein äusserst schwacher aber sehr weit ausgedehnter Ring: der E-Ring. Die Zone seiner höchsten Dichte befindet sich auf der Höhe der Enceladus-Bahn. Hier konnte ein Teil der Gase der Schwerkraft von Enceladus entfliehen und den Ring speisen. Der E-Ring ist der einzige Ring, dessen Entstehung eindeutig geklärt ist.
Abschließend noch ein interessantes Detail zum Eis auf Enceladus: Bei den dort herrschenden Temperaturen ist Wassereis so hart wie irdisches Gestein. Es ist also durchschnittlich 1000- bis 10000 mal härter als ein Fingernagel oder zehnmal härter als ein Stahlnagel.
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