Tief unter dem salzigen Ozean ist der Meeresboden rissig. Heiße Gase aus den darunter liegenden Schichten sprudeln ins Wasser und erhalten Kolonien mikrobiellen Lebens, die weit entfernt von der sonnenverwöhnten Oberfläche ein Dasein fristen.
Das mag wie eine Szene vom Grund der riesigen Ozeane der Erde klingen, aber es ist tatsächlich eine mögliche Beschreibung von Europa – einem der eisigen Monde, die Jupiter umkreisen. Und dank der bevorstehenden Mission Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) haben wir vielleicht endlich die Gelegenheit, herauszufinden, wie genau diese Beschreibung ist.
Astrobiologen – Wissenschaftler, die jenseits der Grenzen unseres Planeten nach Lebenszeichen suchen – halten sich seit langem an ein einfaches Mantra:Folge dem Wasser. Das liegt daran, dass jedes Lebewesen auf der Erde, vom kleinsten Bakterium bis zum mächtigen Blauwal, flüssiges Wasser zum Überleben benötigt. Während außerirdisches Leben ohne Wasser möglich sein mag, ist die Suche nach dieser molekularen Verbindung zwischen Wasserstoff und Sauerstoff ein ausgezeichneter Ausgangspunkt.
Auf der Jagd nach H₂O wurde viel aus der habitablen Zone gemacht – dem schmalen Ring um einen Stern, in dem die Temperatur für flüssiges Wasser genau richtig ist. Die Erde befindet sich in dieser Region, sodass der Großteil unseres Wassers weder gefriert noch kocht. Aber die bewohnbare Zone ist ein unvollkommenes Konzept.
„Mindestens fünf Objekte im äußeren Sonnensystem haben Ozeane unter der Oberfläche“, sagt Dr. Mark Fox-Powell, Astrobiologe an der Open University. Alle befinden sich weit außerhalb der äußeren Bereiche der traditionellen bewohnbaren Zone. Drei dieser Ozeane befinden sich unter der Oberfläche von drei Jupitermonden:Europa, Ganymed und Callisto. Jupiter hat eine eigene bewohnbare Zone. Die benötigte Wärme kommt nicht von der Sonne, sondern von der Schwerkraft des Jupiter. Es dehnt die Monde aus und zieht sie zusammen und erwärmt sie wie Kürbisbälle.
Obwohl wir viele Male im Jupiter-System waren, waren diese Monde selten die Hauptattraktion. „Das letzte Mal, als wir sie dort direkt untersucht haben, war mit der Raumsonde Galileo in den 1990er Jahren“, sagt Fox-Powell. Stattdessen liegt der Fokus eher auf dem Riesenplaneten selbst. Aber jetzt gibt es JUICE, eine spezielle Mission, die auf ihre eisigen Satelliten zusteuert.
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Das Raumschiff
Das Herzstück der JUICE-Mission ist ein Raumschiff, das von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) gebaut wurde. Es hat eine leichte Ähnlichkeit mit einem riesigen Vogel, mit Flügeln aus Solarpanels, die sich zu beiden Seiten des Hauptkörpers des Raumfahrzeugs erstrecken. Das Sonnenlicht auf Jupiter ist 30-mal schwächer als das Licht, das die Erde erreicht, daher müssen die Panels groß sein. Sie bedecken eine Fläche von 85 m² oder sind etwa halb so groß wie ein Volleyballfeld.
Seine Antenne mit einem Durchmesser von drei Metern wird die von JUICE gesammelten Daten an die Missionskontrolle zurücksenden, obwohl es fast zwei Stunden dauern wird, um die mehr als eine halbe Milliarde Kilometer zur Erde zurückzulegen.
Die ESA hatte bis zum Ausbruch der Coronavirus-Pandemie darauf hingearbeitet, JUICE im Jahr 2022 zu starten. Anstelle des geplanten Starts wird es im kommenden Jahr nun hektische Aktivitäten geben, da die ESA sich bemüht, die während des Lockdowns verlorene Zeit zurückzugewinnen und die letzten Vorbereitungen zu treffen, die erforderlich sind, um die wegweisende Mission für ihren neu geplanten Start im Jahr 2023 vorzubereiten.
Der ursprüngliche Plan sah vor, dass JUICE eine verschlungene Route nehmen sollte, die fünf Vorbeiflüge an Erde, Venus und Mars umfasste, um die Gravitationskraft der Planeten zu nutzen, um das Raumschiff in Richtung Jupiter zu schleudern, eine Reise, die 7,5 Jahre dauern sollte. Die ESA muss noch genaue Details der neuen Zeitlinie bekannt geben, aber JUICE sollte Anfang der 2030er Jahre bei Jupiter ankommen. Dort wird es mindestens drei Jahre damit verbringen, Europa, Ganymed und Callisto zu erkunden. Hinzu kommt die NASA-Mission Europa Clipper, deren Start im Jahr 2024 und die Ankunft im April 2030 geplant ist.
Die Jupitermonde
Wir kennen diese Monde schon lange. Zusammen mit Io – dem vulkanisch aktivsten Ort im Sonnensystem – bilden Europa, Ganymed und Callisto die sogenannten „Galileischen Monde“, die erstmals Anfang des 17. Jahrhunderts vom italienischen Astronomen Galileo gesehen wurden.
Von dem Trio, auf das sich JUICE konzentrieren wird, neigt Europa dazu, das Rampenlicht zu stehlen. „Er ist definitiv das Aushängeschild der Galileischen Monde“, sagt Fox-Powell. Das liegt daran, dass unter seiner eisigen Kruste ein Ozean liegt, der mehr flüssiges Wasser enthält als alle Meere, Seen und Flüsse der Erde zusammen. Wenn in unseren Ozeanen Leben herumschwimmt, könnte das auch auf Europa zutreffen?
Ein Teil des Problems besteht darin, dass sich der Ozean unter einer dicken, eisigen Oberfläche versteckt. „Wir können nicht direkt darauf zugreifen“, sagt Fox-Powell. Zum Glück denken Wissenschaftler, dass die Eiskruste und das Wasser interagieren, ein bisschen wie das geschmolzene Gestein unter der Erdoberfläche, das während der vulkanischen Aktivität durchbricht. „Das bedeutet, dass wir Material an der Oberfläche verwenden können, um die Ozeane indirekt zu untersuchen“, sagt Fox-Powell.
Möglicherweise können wir sogar eine Probe dieses Materials sammeln, obwohl JUICE nicht auf Europa landen kann. Die Raumsonde trägt 10 hochpräzise Instrumente zum Jupiter, darunter das Particle Environment Package (PEP). „Es wurde entwickelt, um Staub und andere Moleküle zu untersuchen, die von der Oberfläche aufgewirbelt wurden“, sagt Fox-Powell. „Es ist nicht unmöglich, dass dieses Material, wenn es aus den Ozeanen stammt, Moleküle enthalten könnte, die auf Leben hinweisen.“
Wenn es in Europas Ozeanen Organismen gibt, brauchen sie eine Energiequelle. Versteckt unter der Eiskruste können sie diese Energie nicht von der Sonne bekommen. Fox-Powell sieht zwei mögliche Optionen. Das Jupiter-System ist eine Umgebung, die mit intensiver Strahlung überflutet ist, da Jupiters Magnetfeld hochenergetische Partikel herumschleudert und trichtert.
„Alle Meeresmaterialien, die an die Oberfläche gelangen, werden bestrahlt“, sagt Fox-Powell. Das verändert die Chemie des Eises. Ein wahrscheinliches Szenario ist, dass die Strahlung Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt, wobei dieser Sauerstoff möglicherweise wieder in den Ozean darunter sickert. Weitere potenzielle Nebenprodukte sind Verbindungen, die das Element Schwefel enthalten. „Auf der Erde sind sie dafür bekannt, das mikrobielle Leben zu unterstützen“, sagt Fox-Powell. JUICE wird uns dabei helfen, mehr über diese Meeresoberflächengrenze zu erfahren und inwieweit die Bedingungen für die Biologie geeignet sind.
Alternativ könnte Leben den Meeresboden besiedelt haben. Auf der Erde gibt es ganze Gemeinschaften von Organismen, die ohne jegliches Sonnenlicht auf dem Meeresboden gedeihen. Ihre Energiequelle sind hydrothermale Quellen – Risse in der Grenze zwischen dem Ozean und dem heißen Erdinneren. JUICE könnte uns helfen zu sehen, wie geologisch aktiv das Innere Europas ist.
Eine Gelegenheit, Callisto zu befragen
Während Europa den Löwenanteil der öffentlichen Aufmerksamkeit auf sich zieht, ist es nicht das Hauptziel von JUICE. Die Mission wird nur zweimal an Europa vorbeifliegen, aber zwölfmal an Callisto vorbeischwirren. Callisto ist der äußerste der vier galiläischen Monde und wird daher am wenigsten von Jupiters Schwerkraft und Strahlung beeinflusst. Im Gegensatz zu Europa, dessen Oberfläche durch Material, das unter dem Eis hervorquillt, ständig neu geformt wird, hat Callisto die älteste Oberfläche im Sonnensystem. Seit Milliarden von Jahren unverändert, ist er von mehr Einschlagskratern übersät als jeder andere Körper, der die Sonne umkreist.
Astronomen vermuten, dass unter der antiken Oberfläche von Callisto ein 200 km tiefer Ozean liegt. Hier kommt das Instrument Radar for Icy Moons Exploration (RIME) von JUICE zum Einsatz. Es wird Radiowellen aussenden, die die Eishüllen der galiläischen Monde bis in eine Tiefe von rund neun Kilometern durchdringen können. Aus der Art und Weise, wie die Radiowellen zurückreflektiert werden, sollten wir in der Lage sein, mehr über die inneren Strukturen der Monde zu erfahren.
Einen weiteren Ansatz bietet das Instrument Gravity and Geophysics of Jupiter and Galilean Moons (3GM). Es wird die Gravitationsfelder von Callisto und den anderen Eismonden messen, was zeigen wird, wie verschiedene Materialschichten – einschließlich Wasser – in ihnen gestapelt sind.
JUICE wird auch Callisto für ein Leg-up verwenden. Missionsleiter werden die Schwerkraft des Mondes nutzen, um die Neigung des Raumfahrzeugs um etwa 30° zu erhöhen, damit es einen besseren Blick auf die Polarregionen von Jupiter werfen kann – die Quelle von Jupiters gewaltigem und intensivem Magnetfeld.
Auf der Suche nach Magnetfeldern
Es ist der Magnetismus, der bestimmt hat, wo JUICE den Großteil seiner Zeit verbringen wird:Ganymed. Neben einem Dutzend Vorbeiflügen wird das Raumschiff auch in eine Umlaufbahn um Ganymed einfliegen und dort acht Monate bleiben. Es wird das erste Mal sein, dass ein Raumschiff von der Erde einen anderen Mond als unseren eigenen umkreist.
„Ganymed ist der aufregendste Körper im Sonnensystem“, sagt Prof. Michele Dougherty vom Imperial College London. Zum einen ist er größer als jeder andere Mond. Tatsächlich ist er größer als der Zwergplanet Pluto und der Planet Merkur. Wie Europa wird auch angenommen, dass es einen unterirdischen Ozean hat, der mehr Wasser enthält als wir auf der Erde haben.
Die Hauptattraktion ist jedoch der Magnetismus von Ganymed. Es ist einzigartig unter den Monden des Sonnensystems, weil es ein eigenes Magnetfeld hat. Dougherty ist der leitende Forscher für J-MAG – ein Instrument auf JUICE zur Messung von Magnetfeldern. J-MAG befindet sich am Ende eines 10,6 m langen Auslegers, um ihn von magnetischen Interferenzen des Hauptraumfahrzeugs fernzuhalten. Seine empfindliche Elektronik ist in einem mit Blei ausgekleideten Gewölbe eingeschlossen, um sie vor Jupiters intensiver Strahlung zu schützen.
Dougherty möchte das Magnetfeld von Ganymed im Detail messen, einschließlich dessen, wie es mit Jupiters eigenem Magnetfeld interagiert. Astronomen haben mithilfe des Hubble-Weltraumteleskops Polarlichtaktivität auf Ganymed entdeckt. Die Polarlichter, die den Nord- und Südlichtern auf der Erde entsprechen, sollten aufgrund des Einflusses von Jupiters Magnetismus um Ganymeds Pole wackeln.
Dass sie es nicht tun, deutet auf einen unterirdischen Ozean aus salzigem Wasser auf Ganymed hin, der Elektrizität leitet und Jupiters magnetische Kraft ausgleicht. Die Untersuchung des Magnetfelds von Ganymed könnte weitere Hinweise auf die Größe und Beschaffenheit dieses Ozeans liefern. Das wiederum könnte uns helfen zu verstehen, ob es sich um einen Ort handelt, an dem möglicherweise außerirdisches Leben beheimatet ist.
Das Magnetfeld von Ganymed von Jupiter zu trennen, ist jedoch alles andere als einfach, insbesondere angesichts der Tatsache, wie sehr der Planet seine umgebenden Satelliten dominiert. „Es ist, als würde man versuchen, Nadeln im Heuhaufen zu finden“, sagt Dougherty, „aber sie ändern ständig Größe, Form und Farbe.“ Trotzdem ist sie zuversichtlich, dass das Team es schaffen kann. Die Vorbeiflüge werden zum Üben genutzt, wobei die wirklich wichtigen Daten kommen, sobald JUICE sich in der Umlaufbahn um Ganymed niedergelassen hat. „Die Ergebnisse werden spektakulär sein“, sagt Dougherty.
Gibt es anderswo im Sonnensystem Leben?
Wenn sie Recht hat, ist es die Krönung am Ende eines langen und kurvenreichen Weges. Dougherty war zuvor an einem anderen Flaggschiff-Raumschiff beteiligt:der Cassini-Mission zum Saturn. Ernsthafte Diskussionen über JUICE begannen 2008, als Cassini bereits vier Jahre bei Saturn war.
Es war einer der Saturnmonde – Enceladus – der die Menschen aufhorchen ließ. „Mein Team war maßgeblich an der Entdeckung beteiligt, dass Enceladus Wasserdampfschwaden enthält“, sagt Dougherty. Wasser aus einem unterirdischen Ozean wurde in den Weltraum gespuckt, was zeigt, dass es möglich ist, Wasser jenseits der traditionellen bewohnbaren Zone zu finden.
„Die Entdeckungen bei Enceladus haben uns gezeigt, dass es eine gute Sache ist, sich auf die Monde der äußeren Planeten zu konzentrieren.“ Bald wurde ein Plan ausgebrütet, um Jupiters Eismonde näher zu betrachten. Nicht, dass alles glatt gelaufen wäre. An einem Punkt während der Pandemie, als die Labore geschlossen waren, baute Doughertys Team Teile von J-MAG auf ihren Küchentischen. „Der Bau eines Instruments ist immer stressig, aber die Pandemie hat diesen Stress auf die nächste Stufe gehoben“, sagt sie.
Diese Anstrengung ist umso bemerkenswerter, als das Team all diese harte Arbeit letztendlich zunichte machen wird. Irgendwann im Jahr 2034 wird dem Raumschiff wahrscheinlich der Treibstoff ausgehen. Ohne Treibstoff werden Wissenschaftler ihn nicht mehr im Jupiter-System manövrieren können. Das Team wird also das tun, was zuvor mit Raumfahrzeugen wie Cassini und der MESSENGER-Mission zum Merkur gemacht wurde:es absichtlich zum Absturz bringen.
Indem es in die Oberfläche von Ganymed schlägt, wird JUICE ein letztes Experiment liefern, um zu sehen, woraus dieser gigantische Mond besteht. Die Tage der Erforschung von Jupiters Eismonden werden vorbei sein, aber die Wissenschaftler werden noch lange danach über die Sammlung wertvoller Daten von JUICE brüten. „In 20 Jahren wird unser Verständnis dieser Monde ein anderes sein“, sagt Fox-Powell. „JUICE wird für eine echte Revolution sorgen.“ Es könnte uns endlich sagen, ob wir in diesem riesigen und oft überraschenden Sonnensystem allein sind oder nicht.
- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 372 des BBC Science Focus Magazine – Hier erfahren Sie, wie Sie sich anmelden können
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