Universe Today hatte in den letzten Monaten das Privileg, sich mit einer Vielzahl wissenschaftlicher Disziplinen zu befassen, darunter Einschlagkrater, Planetenoberflächen, Exoplaneten, Astrobiologie, Sonnenphysik, Kometen, Planetenatmosphären, Planetengeophysik, Kosmochemie, Meteoriten, Radioastronomie, Extremophile, organische Chemie und Schwarze Löcher sowie deren Bedeutung für die Aufklärung von Wissenschaftlern und der Öffentlichkeit über unseren Platz im Kosmos.
Hier diskutieren wir das faszinierende Gebiet des Kryovulkanismus mit Dr. Rosaly Lopes, der Direktoratswissenschaftlerin der Planetary Science Directorate und leitenden Forschungswissenschaftlerin am Jet Propulsion Laboratory der NASA. Dabei geht es um die Bedeutung der Erforschung des Kryovulkanismus, Beispiele aus dem gesamten Sonnensystem, was uns der Kryovulkanismus über die Suche nach Leben außerhalb der Erde lehren kann, spannende Aspekte der Erforschung des Kryovulkanismus und Ratschläge für angehende Studenten, die Kryovulkanismus studieren möchten.
Welche Bedeutung hat also die Erforschung des Kryovulkanismus?
Dr. Lopes verweist auf Geissler (2015) und sagt gegenüber Universe Today: „Mein Kollege Paul Geissler hat es gut definiert: ‚Der Ausbruch von flüssigen oder Dampfphasen (mit oder ohne mitgerissene Feststoffe) aus Wasser oder anderen flüchtigen Stoffen, die bei der normalen Temperatur der Oberfläche des eisigen Satelliten zu einem festen Stoff gefroren wären.‘“
Während wir Vulkanismus auf der Erde mit heißem Magma assoziieren, das aus dem Erdinneren ausbricht und in einem feurigen Feuer alles in seinem Weg zum Schmelzen bringt, ist Kryovulkanismus die Lehre vom Eisvulkanismus, da „Kryo“ als „eiskalt“ oder „Frost“ definiert wird. Der Begriff wurde erstmals 1987 in einem Abstract der Geological Society of America (GSA) Abstract with Programs von Steven K. Croft verwendet und wird seitdem zur Beschreibung von Eisvulkanen im gesamten Sonnensystem verwendet.
Weitere Begriffe, die im Zusammenhang mit Kryovulkanismus verwendet werden, sind Kryomagma und Kryolava – vergleichbar mit Magma und Lava aus herkömmlichen Vulkanen – und kryovulkanisches Gebäude – vergleichbar mit herkömmlichen Schildvulkanen, die sowohl auf der Erde als auch auf anderen Planeten (z. B. Mars und Venus) zu finden sind. Was sind also einige Beispiele für Kryovulkanismus in unserem Sonnensystem?
Dr. Lopes sagt gegenüber Universe Today: „Wir sehen aktiven Kryovulkanismus auf Enceladus und Anzeichen von vergangenem Kryovulkanismus auf Titan, Europa, Ganymed und sogar Io (SO2 statt Wasser).“ Dr. Lopes geht näher auf aktiven und vergangenen Vulkanismus ein in einem Buchkapitel 2010sowie.
Der Grund für den aktiven Kryovulkanismus auf dem Saturnmond Enceladus liegt in dem großen Ozean aus flüssigem Wasser, der sich unter seiner Eiskruste befindet. Die Raumsonde Cassini der NASA hat nicht nur Bilder von aktiven Fontänen aufgenommen, die aus den „Tigerstreifen“ am Südpol von Enceladus ausbrechen. Cassini ist im März 2008 auch durch diese Fontänen geflogen und hat dabei mit seinem Ionen- und Neutralmassenspektrometer (INMS) Wasserdampf, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und organische Materialien identifiziert, deren Konzentrationen höher waren als vom Cassini-Team vor dem Vorbeiflug vermutet.
Der größte Mond des Saturn, Titan, beherbergt aufgrund der eisigen Oberflächentemperaturen von -182,55 Grad Celsius (-296,59 Grad Fahrenheit) auf seiner Oberfläche flüssiges Methan und Ethan, während Methan und Ethan auf der Erde ausschließlich als Gase vorkommen. Was Beweise für früheren Kryovulkanismus auf Titan betrifft, so entdeckte die Raumsonde Cassini 2005 Doom Mons und 2007 Erebor Mons, wobei beide derzeit allgemein als Kryovulkane anerkannt werden. Darüber hinaus nutzte Cassini 2018 seine Radarinstrumente, um die Topographie auf Titan zu identifizieren, die als „allerbester Beweis“ für einen Kryovulkan auf Titan angesehen wurde.
Auch bei den beiden Galileischen Monden des Jupiters, Europa und Ganymed, gibt es deutliche Hinweise darauf, dass sie unter ihrer Eiskruste im Inneren flüssige Ozeane enthalten. Im Oktober dieses Jahres soll die Europa-Clipper-Mission der NASA starten, um diese Eiswelt nach ihrer Ankunft irgendwann im Jahr 2030 im Detail zu erforschen. Darüber hinaus startete im April 2023 die Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE)-Mission der Europäischen Weltraumorganisation mit dem Ziel, Ganymed im Detail zu untersuchen; nach derzeitigem Plan soll sie Ende 2034 in die Umlaufbahn Ganymeds eintreten.
In Bezug auf Beweise für früheren Kryovulkanismus auf Europa postulierten Wissenschaftler im Jahr 2020, dass die beobachteten Fontänen, die von Europa ausströmen, direkt aus der Eiskruste stammen könnten. Für Ganymed sind spezifische Oberflächenmerkmale, die als Paterae bekannt sind haben auf „potenzielle kryovulkanische Regionen“ hingewiesen, doch die Wissenschaftler bleiben skeptisch und haben diese Merkmale als etwas aufgeführt, das die JUICE-Mission genauer untersuchen sollte.
Weitere Welten in unserem Sonnensystem, die frühere oder aktuelle Anzeichen von Kryovulkanismus aufweisen, sind der Zwergplanet Ceres, Neptuns Mond Triton, der Zwergplanet Pluto und sein Mond Charon sowie weitere Zwergplaneten. Angesichts dieser Fülle von Welten, die aktuelle oder frühere Anzeichen von Kryovulkanismus in unserem Sonnensystem aufweisen, stellt sich die Frage, was uns der Kryovulkanismus über die Suche nach Leben außerhalb der Erde lehren kann.
Dr. Lopes sagt gegenüber Universe Today: „Damit Leben, wie wir es kennen, existieren kann, brauchen wir Wasser und Energie – Kryovulkanismus liefert die Wärme (Energie) und ist eine Möglichkeit, Material mit möglichen Biosignaturen an die Oberfläche von Körpern zu befördern. Wenn das Material einfach im Ozean unter einer Eiskruste verbleibt, könnte es viele Jahrzehnte dauern, bis wir Proben davon nehmen können.“
Zu den spannendsten Aspekten des Kryovulkanismus, die sie während ihrer Karriere untersucht hat, sagt Dr. Lopes gegenüber Universe Today: „Die Entdeckung von Doom Mons und Erebor Mons auf Titan war sehr aufregend, da sie den überzeugendsten Beweis dafür darstellen, dass es auf Titan Kryovulkanismus gab.“
Wie bei den anderen wissenschaftlichen Disziplinen, die Universe Today untersucht hat, ist auch im Bereich des Kryovulkanismus die Zusammenarbeit von Wissenschaftlern aus den verschiedensten Bereichen erforderlich, darunter Vulkanologie, Planetengeologie, Physik und Informatik. Auf diese Weise können Wissenschaftler Computermodelle des Kryovulkanismus auf der Grundlage vorhandener Daten erstellen und Bilder von Orbitern verwenden, um ihre Modelle zu bestätigen oder zu aktualisieren und die Prozesse hinter dem von ihnen beobachteten Kryovulkanismus zu ermitteln. Welchen Rat kann Dr. Lopes also angehenden Studenten geben, die Kryovulkanismus studieren möchten?
Dr. Lopes sagt gegenüber Universe Today: „Die Physik des Prozesses ist noch nicht gut verstanden. Laborexperimente sind wertvoll. Sie sollten die Literatur lesen und herausfinden, wie sie ihr Verständnis verbessern können.“