Seltenes Mischeis auf Neptuns Mond Triton entdeckt

Astronomen erforschen mit Hilfe des Gemini-Observatoriums Neptuns größten Mond Triton, und beobachteten zum ersten Mal außerhalb des Labors eine außergewöhnliche Verbindung zwischen Kohlenmonoxid und Stickstoffeis. Diese Entdeckung bringt Einblicke, wie diese flüchtige Mischung mit Hilfe von Geysiren das Material über die Mondoberfläche transportiert wird, saisonale atmosphärische Veränderungen auslösen und einen Kontext herstellen können, wie die Bedingungen auf anderen entfernten eisigen Welten sein könnten.

Extreme Bedingungen können zu extremen Ergebnissen führen. In diesem Fall ist es die seltene Paarung von zwei häufigen Molekülen - Kohlenmonoxid (CO) und Stickstoff (N2) – die auf Neptuns eisigem Mond Triton im gefrorenen Zustand als Eis vorkommen.

Im Labor hat ein internationales Team von Wissenschaftlern eine ganz bestimmte Wellenlänge des Infrarotlichts identifiziert, welches absorbiert wird, wenn sich Kohlenmonoxid - und Stickstoffmoleküle verbinden und im Einklang schwingen. Individuell absorbieren Kohlenmonoxid – und Stickstoffeis jeweils ihre eigenen Wellenlängen im Infrarotlicht, aber die Tandem-Schwingung der Eismischung absorbiert bei einer deutlichen, in dieser Studie identifizierten Wellenlänge.

Mit dem 8-Meter-Gemini-Süd-Teleskop in Chile hat das Team die einzigartige Infrarotsignatur auf Triton aufgezeichnet. Der Schlüssel zur Entdeckung war der hochauflösende Spektrograph IGRINS (Immersion Grating Infrared Spectrometer), der in Zusammenarbeit zwischen der University of Texas in Austin und dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI) gebaut wurde. Sowohl das Gemini Observatorium als auch IGRINS werden von der US-National Science Foundation (NSF) und der KASI finanziert.

„Obwohl der von uns entdeckte spektrale eisige Fingerabdruck durchaus plausibel war, da diese Eiskombination im Labor hergestellt werden kann, ist es beispiellos, diese spezifische Wellenlänge im Infrarotlicht auf einer anderen Welt zu lokalisieren“, sagte Stephen C. Tegler vom Northern Arizona Universitys Astrophysical Materials Laboratory, der die internationale Studie leitete. Die Forschungsergebnisse wurden zur Veröffentlichung im Astronomical Journal angenommen.

In der Erdatmosphäre existieren Kohlenmonoxid- und Stickstoffmoleküle als Gase, nicht als Eis. Tatsächlich ist molekularer Stickstoff das dominierende Gas in der Luft die wir atmen und Kohlenmonoxid ist eine seltene Verunreinigung, die tödlich sein kann.

Am fernen Triton gefrieren jedoch Kohlenmonoxid und Stickstoff zu festem Eis. Sie können ihr eigenes Eis bilden oder sich zu der in den Gemini-Daten erkannten Eismischung verdichten. Diese eisige Mischung könnte an Tritons legendären Geysiren beteiligt sein, die erstmals von der Raumsonde Voyager 2 als dunkle, vom Wind verwehte Streifen auf der Oberfläche des fernen eisigen Mondes zu sehen waren.

Die Raumsonde Voyager 2 hat erstmals 1989 in der Südpolregion des Mondes Geysire in Aktion aufgenommen. Seitdem konzentrierten sich die Theorien auf einen unterirdischen Ozean als mögliche Quelle für das eruptierende Material. Eine andere Möglichkeit wäre, dass die Geysire ausbrechen, wenn die Sommersonne diese dünne Schicht flüchtigen Eises auf der Triton-Oberfläche erwärmt, möglicherweise unter Beteiligung des gemischten Kohlenmonoxid- und Stickstoff-Eises, das bei der Gemini-Beobachtung entdeckt wurde. Diese Eismischung könnte auch als Reaktion auf die jahreszeitlich bedingte variierende Sonneneinstrahlung über die Oberfläche von Triton wandern.

„Trotz der großen Entfernung des Mondes Triton von der Sonne und den kalten Temperaturen reicht das schwache Sonnenlicht aus, um starke saisonale Veränderungen auf der Oberfläche und in der Atmosphäre von Triton hervorzurufen“, fügte Henry Roe, stellvertretender Direktor von Gemini und Mitglied des Forschungsteams, hinzu. „Diese Arbeit demonstriert die Fähigkeit, Laborstudien mit Teleskop-Beobachtungen zu kombinieren, um komplexe planetare Prozesse in fremden Umgebungen zu verstehen, die sich von jenen unterscheiden, denen wir hier auf der Erde täglich begegnen.“

Die jahreszeitlichen Veränderungen auf Triton verlaufen langsam, da Neptun, sein Zentralplanet, 165 Jahre benötigt um die Sonne zu umkreisen. Eine Saison auf Triton dauert etwas mehr als 40 Jahre; Triton passierte im Jahr 2000 seine südliche Sommersonnenwende und es bleiben noch etwa 20 Jahre Zeit um weitere Forschungen durchzuführen, bevor der Herbst beginnt.

In Hinblick auf die Zukunft erwarten die Forscher, dass die Ergebnisse über die Zusammensetzung des Eises und die jahreszeitlichen Schwankungen in der Atmosphäre Tritons auch Aufschluss über die Atmosphären fremder Welten jenseits von Neptun geben könnten.

Astronomen vermuten, dass diese Vermischung von Kohlenmonoxid und Stickstoff-Eis nicht nur auf Triton, sondern auch auf Pluto existiert, wo die Raumsonde New Horizons die beiden Eisarten nebeneinander angetroffen hat. Dieser Gemini-Befund ist der erste direkte spektroskopische Hinweis dafür, dass es dieses gemischte Eis auf beiden Welten geben könnte.

Der 2704 km große Triton umkreist Neptun auf einer mittleren Entfernung von 354 800 km. Triton ist der einzige große Mond im Sonnensystem, der auf einer rückläufigen Bahn seinen Planeten umkreist. Die eigentümliche Bewegung deutet darauf hin, dass es sich bei Triton um ein transneptunisches Objekt aus dem Kuipergürtel handelt – einer Region mit Resten aus der Frühgeschichte des Sonnensystems, weshalb er mehrere Eigenschaften mit den Zwergplaneten Pluto und Eris teilt: Seine Größe (ungefähr zwei Drittel von der Größe unseres Mondes) und Oberflächentemperaturen, die sich nahe dem absoluten Nullpunkt befinden, so dass Verbindungen, die wir als Gase auf der Erde kennen zu Eis gefrieren.

Tritons Atmosphäre ist außerdem 70 000-mal weniger dicht als die der Erde und besteht aus Stickstoff, Methan und Kohlenmonoxid. Seine Oberfläche scheint aus zwei verschiedenen Terrains zu bestehen, von denen das eine aus flüchtigem Eis und das zweite aus Wasser- und Kohlendioxid-Eis besteht.

Es wird angenommen, dass molekularer Stickstoff die häufigste Art von Stickstoff war, der zur Zeit der Entstehung des Sonnensystems verfügbar war. Sein häufiges Vorkommen im äußeren Sonnensystem ist ein wichtiger Schlüssel zur Entstehung des Lebens, da er ein wichtiger Bestandteil der Lebens-Bausteine ist.