Hydrothermale Quellen auf dem Meeresboden von „Ozeanwelten“ könnten Leben ermöglichen, heißt es in einer neuen Studie

Wir alle kennen die surrealen Aufnahmen von hydrothermalen Quellen auf dem eiskalten Meeresboden – aus denen schwarze Fontänen superheißen Wassers sprudeln – und den Lebensformen, die sich dort festklammern. Eine neue Studie von Forschern der UC Santa Cruz legt nun nahe, dass Quellen mit niedrigeren Temperaturen, die auf dem gesamten Meeresboden der Erde häufig vorkommen, dazu beitragen könnten, lebenserhaltende Bedingungen auf „Ozeanwelten“ in unserem Sonnensystem zu schaffen.

Ozeanwelten sind Planeten und Monde, die einen flüssigen Ozean haben oder in der Vergangenheit hatten, oft unter einer Eisschicht oder in ihrem felsigen Inneren. Im Sonnensystem der Erde sind mehrere Monde des Jupiters und des Saturns Ozeanwelten, und ihre Existenz war Anlass für alles, von von Experten überprüften akademischen Studien und Raummissionen mit Satelliten bis hin zu populären Filmen wie dem Science-Fiction-Thriller „Der Europa-Report“ aus dem Jahr 2013.

Viele Forschungsrichtungen legen nahe, dass einige Ozeanwelten intern genug Wärme abgeben, um eine hydrothermale Zirkulation unter ihrem Meeresboden anzutreiben. Diese Wärme wird durch radioaktiven Zerfall erzeugt, wie er tief in der Erde vorkommt, wobei zusätzliche Wärme möglicherweise durch Gezeiten entsteht.

In den 1970er Jahren wurden auf dem Meeresboden der Erde Gesteinswärme-Flüssigkeitssysteme entdeckt, als Wissenschaftler austretende Flüssigkeiten beobachteten, die Wärme, Partikel und Chemikalien transportierten. Viele der Entlüftungsstellen waren von neuartigen Ökosystemen umgeben, darunter spezialisierte Bakterienmatten, rot-weiße Röhrenwürmer und wärmeempfindliche Garnelen.

Simulation außerirdischer Meeresböden

In diesem neue Studieerschienen heute im Journal of Geophysical Research: PlanetenDie Forscher verwendeten ein komplexes Computermodell, das auf der hydrothermalen Zirkulation basiert, wie sie auf der Erde vorkommt. Nachdem sie Variablen wie Schwerkraft, Wärme, Gesteinseigenschaften und Flüssigkeitszirkulationstiefe verändert hatten, stellten sie fest, dass hydrothermale Quellen unter einer Vielzahl von Bedingungen bestehen bleiben können. Wenn diese Art von Strömungen auf einer Ozeanwelt wie dem Jupitermond Europa auftreten, könnten sie die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass auch dort Leben existiert.

„Diese Studie legt nahe, dass hydrothermale Systeme mit niedriger Temperatur (nicht zu heiß für Leben) auf Ozeanwelten außerhalb der Erde über Zeiträume hinweg aufrechterhalten worden sein könnten, die mit denen vergleichbar sind, die erforderlich sind, damit sich Leben auf der Erde entwickeln kann“, sagte Andrew Fisher, der leitende Autor der Studie und angesehener Professor für Erd- und Planetenwissenschaften (EPS) an der UC Santa Cruz.

Das Meerwasserzirkulationssystem, auf dem das Team seine Computermodelle basierte, wurde auf einem 3,5 Millionen Jahre alten Meeresboden im nordwestlichen Pazifik östlich des Juan de Fuca-Rückens gefunden. Dort fließt kühles Bodenwasser durch einen erloschenen Vulkan (Seamount), fließt etwa 30 Meilen unterirdisch und fließt dann durch einen weiteren Seamount zurück in den Ozean. „Das Wasser sammelt beim Fließen Wärme und tritt wärmer aus als beim Einströmen und mit ganz anderen chemischen Eigenschaften“, erklärte Kristin Dickerson, die Zweitautorin des Artikels und Doktorandin in Erd- und Planetenwissenschaften.

Der Fluss von einem Tiefseeberg zum anderen wird durch den Auftrieb angetrieben, da die Dichte des Wassers bei Erwärmung abnimmt und bei Abkühlung zunimmt. Dichteunterschiede erzeugen Unterschiede im Flüssigkeitsdruck im Gestein, und das System wird durch die Ströme selbst aufrechterhalten – solange genügend Wärme zugeführt wird und die Gesteinseigenschaften eine ausreichende Flüssigkeitszirkulation zulassen. „Wir nennen es einen hydrothermalen Siphon“, sagte Fisher.

Kühlsystem der Erde

Während Hochtemperatur-Entlüftungssysteme hauptsächlich durch vulkanische Aktivitäten unter dem Meeresboden angetrieben werden, erklärte Fisher, dass bei niedrigeren Temperaturen ein viel größeres Flüssigkeitsvolumen in den Meeresboden der Erde hinein und wieder heraus fließt, was hauptsächlich durch die „Hintergrundkühlung“ des Planeten verursacht wird. „Der Wasserfluss durch Niedertemperatur-Entlüftungssysteme entspricht hinsichtlich der abgegebenen Wassermenge allen Flüssen und Bächen der Erde und ist für etwa ein Viertel des Wärmeverlusts der Erde verantwortlich“, sagte er. „Das gesamte Volumen des Ozeans wird etwa alle halbe Million Jahre in den Meeresboden hinein und wieder heraus gepumpt.“

Viele frühere Studien zur hydrothermalen Zirkulation auf Europa und Enceladus, einem kleinen Mond, der den Saturn umkreist, haben Flüssigkeiten mit höheren Temperaturen in Betracht gezogen. Cartoons und andere Zeichnungen zeigen oft Systeme auf ihren Meeresböden, die wie schwarze Raucher auf der Erde aussehen, so Donna Blackman, EPS-Forscherin und dritte Autorin des neuen Artikels. „Ströme mit niedrigeren Temperaturen treten mindestens genauso wahrscheinlich auf, wenn nicht sogar wahrscheinlicher“, sagte sie.

Das Team war besonders begeistert von einem Ergebnis der Computersimulationen, die in der neuen Studie vorgestellt wurden. Es zeigt, dass bei sehr geringer Schwerkraft – wie sie auf dem Meeresboden von Enceladus herrscht – die Zirkulation bei niedrigen bis mäßigen Temperaturen über Millionen oder Milliarden von Jahren anhalten kann. Dies könnte helfen zu erklären, wie kleine Ozeanwelten langlebige Flüssigkeitszirkulationssysteme unter ihrem Meeresboden haben können, obwohl die Erwärmung begrenzt ist: Die geringe Effizienz der Wärmeentnahme könnte zu einer beträchtlichen Langlebigkeit führen – im Wesentlichen über die gesamte Lebensdauer des Sonnensystems.

Planetenforscher nutzen Beobachtungen von Satellitenmissionen, um herauszufinden, welche Bedingungen auf Ozeanwelten herrschen oder möglich sind. Die Autoren des neuen Artikels planen, im Herbst dieses Jahres zusammen mit Kollegen, die an der Studie mitarbeiten, beim Start der Raumsonde Europa Clipper in Cape Canaveral, Florida, dabei zu sein. Die Welt der Ozeane erkunden Projekt.

Die Forscher sind sich der Unsicherheit bewusst, wann die Meeresböden von Ozeanwelten direkt auf das Vorhandensein aktiver hydrothermaler Systeme untersucht werden können. Ihre Entfernung von der Erde und ihre physikalischen Eigenschaften stellen große technische Herausforderungen für Weltraummissionen dar. „Daher ist es wichtig, die verfügbaren Daten, von denen viele aus der Ferne gesammelt wurden, optimal zu nutzen und das Wissen aus Jahrzehnten detaillierter Studien analoger Erdsysteme zu nutzen“, schlussfolgern sie in dem Artikel.