Der Zwergplanet Ceres ist ein ziemlich einzigartiger und weitgehend mysteriöser Körper, der seit dem Frühjahr 2015 von der NASA Dawn-Sonde sorgfältig untersucht wurde. Ceres dreht sich um die Sonne zwischen Mars und Jupiter im Asteroidengürtel, aber Dawns wissenschaftliche Erkenntnisse legen nahe, dass es von weiter her an seinem aktuellen „Parkplatz“ angekommen ist.
Ceres wurde vor mehr als 200 Jahren entdeckt, aber fast zwei Jahrhunderte lang konnten die Menschen aufgrund von Unvollkommenheiten in der Optik nichts außer einem Punkt oder einem kleinen Fleck sehen. Die Entdeckung des Haupt-Asteroidengürtels begann mit Ceres, und wegen ihrer äußerlichen Ähnlichkeit mit fernen Sternen erhielten Asteroiden ihren Namen - „sternförmig“. Ihre Größe ist so klein, dass die Teleskope der Vergangenheit und des vorletzten Jahrhunderts zumindest einige Details der Oberfläche nicht unterscheiden konnten. Zuerst galt Ceres als Planet, wurde aber schnell zu Asteroiden „herabgestuft“, und in diesem Rang verbrachte sie zwei Jahrhunderte. Die Diskussion über den Status von Pluto führte zur Verfeinerung des Begriffs „Planet“ und zur Einführung des neuen Begriffs „Zwergplanet“. Im Jahr 2006 erhielt Ceres den Titel eines Zwergplaneten und wurde unter ihnen der kleinste und der Erde am nächsten gelegene. Zu diesem Zeitpunkt konnte das Hubble-Weltraumteleskop es besser sehen und eine sphärische Form zeigen, dank der dieser Titel erhalten wurde. Der Durchmesser von Ceres beträgt ungefähr 950 km, was 3,5-mal kleiner als unser Mond und 2,5-mal kleiner als der Durchmesser von Pluto ist. Plutos Satellit Charon ist etwas größer als Ceres, fliegt aber von alleine um die Sonne und hat sich daher einen besonderen Titel verdient.
Der Rest der Zwergplaneten: Pluto, Eris, Haumea und Makemake drehen sich viel weiter - jenseits der Umlaufbahn von Neptun. Von diesen wurde nur Pluto kurz von der New Horizons Earth Probe besucht. Im Jahr 2015 erreichte die interplanetare automatische Station Dawn (Dawn) Ceres. In drei Jahren veränderte sie mehrere Umlaufbahnen unterschiedlicher Höhe: 5100-4400-1500-385-200 km, und jetzt ist Ceres der am besten untersuchte Zwergplanet.
Dawn - ist eine klassische Sonde zur Untersuchung der atmosphärischen Körper des Sonnensystems: Ein kleines panchromatisches Teleskop mit acht Spektralfiltern auf einem Rad, ein Infrarotspektrometer und ein Gamma-Neutronenspektrometer sind an Bord.
Ein Konstruktionsmerkmal von Dawn ist das Antriebssystem - es verwendet elektrische Raketenionenmotoren. Ein Merkmal dieser Motoren ist die hohe Abflussrate reaktiver Gase, die es ihnen ermöglicht, Verbrauchsmaterialien viel wirtschaftlicher zu verbrauchen als die üblicheren chemischen Motoren. Der Nachteil von Ionenaustauschern ist eine vernachlässigbare Gasmenge im Strahlstrom. Wenn der chemische Motor einige Minuten lang eingeschaltet werden muss, muss das Ion daher mehrere zehn Stunden lang arbeiten. Darüber hinaus benötigen elektrische Raketentriebwerke viel Energie, sodass Dawn mit Sonnenkollektoren mit einer Reichweite von fast 20 Metern ausgestattet ist.
Trotz der Mängel der Ionenmotoren ermöglichten sie Dawn eine lange und mehrstufige Reise im Asteroidengürtel und führten ein komplexes wissenschaftliches Programm durch. Ab 2007 erreichte Dawn den größten Asteroiden im Hauptgürtel zwischen Mars und Jupiter - West. Dieser eiförmige Rohsteinkörper ist ca. 550 km groß. Wenn Vesta eine Kugelform wie Ceres hätte, würde man es auch als Zwergplanet bezeichnen.
Dawn betrat die Umlaufbahn um Vesta und untersuchte sie mehr als ein Jahr lang aus drei verschiedenen Umlaufbahnen. Dann nutzte die Sonde die Ionentraktion und kehrte zur interplanetaren Flugbahn zurück, um zum nächsten wichtigen Ziel zu gelangen - dem Zwergplaneten Ceres. Der Flug dauerte zweieinhalb Jahre.
Merkwürdige Tatsache: Dawn verbrachte acht Jahre im Asteroidengürtel und machte drei Umlaufbahnen um die Sonne, traf aber keinen einzigen Asteroiden außer Vesta. Dies ist ein gutes Beispiel dafür, wie sich der mit Asteroiden gefüllte Raum inmitten des Hauptgürtels befindet. Wenn mindestens ein bekannter Asteroid unterwegs wäre, würde die NASA die Gelegenheit nicht verpassen, ihn zumindest aus der Ferne und auf einer vorbeifahrenden Flugbahn zu untersuchen.
Die Annäherung an Ceres im Winter 2015 begann sofort mit einer Intrige - auf der Oberfläche eines dunklen Zwergplaneten (etwas dunkler als der Mond) wurden mehrere hellweiße Flecken gefunden, die sich auf dem Boden eines Kraters konzentrierten. Früher hatte das Infrarot-Weltraumteleskop der ESA Herschel die Freisetzung von Wasserdampf mit einer Intensität von etwa 3 kg / s zu diesem Zeitpunkt bestimmt, aber die Wissenschaftler haben die Wassereis-Hypothese sorgfältig unter Berücksichtigung anderer Möglichkeiten aufgestellt.
Das Wasser auf Ceres überraschte niemanden, noch früher ermöglichte eine Analyse seiner Umlaufbahnmerkmale die Berechnung seiner Masse, und nach Anpassung der Größen erhielten sie eine durchschnittliche Dichte von 2,1 g pro Kubikzentimeter. Dies ist im Vergleich zu Steinasteroiden sehr gering. Zum Beispiel hat Vesta eine Dichte von 3,4 g pro Kubikzentimeter, das häufigste Basaltgestein im Sonnensystem hat eine Dichte von etwa 2,6 g pro Kubikzentimeter. Daher wurde bereits vor der Ankunft der Morgendämmerung ein großer Wassergehalt von bis zu 50% im Ceres-Mantel angenommen. Zum Vergleich: Meteoriten, die von Vesta auf die Erde kommen, enthalten nicht mehr als 0,04% Wasser.
Die Kugelform von Ceres zeigt die vergangene Differenzierung an, d.h. Trennung in einen Steinkern, möglicherweise gemischt mit Metallen, und einen Steineismantel. All dies ist mit einer dünnen Schicht Regolith bedeckt, die sich über Milliarden von Jahren auf der Oberfläche angesammelt hat.
Dawns Entdeckungen begannen mit hellen Flecken in einem Krater namens Occator, aber das war nur der Anfang. Sofort bemerkte ich ein weiteres auffälliges Merkmal - den fast regelmäßigen Kegel des Berges namens Akhuna. Es zeichnete sich vor dem Hintergrund der durchschnittlichen „Rauheit“ der Oberfläche aus und stieg um 5 km bei einer Basis von 20 km. In der Nähe des Berges befindet sich ein etwa gleich großer tiefer Meteoritenkrater, der jedoch wahrscheinlich nicht miteinander verbunden ist. Auf der gegenüberliegenden Seite des Zwergplaneten befindet sich der älteste und größte Krater auf Ceres eines Asteroiden mit einem Durchmesser von 280 km. Vielleicht ist der Berg Akhuna ein Vulkan, der sich zum Zeitpunkt des Aufpralls von hinten im Brennpunkt seismischer Wellen gebildet hat. Ähnliche Prozesse könnten auf Merkur (der Ebene der Hitze), Mars (dem Hochland von Farsidos und Elysius) und der Erde (Putorana-Plateau) auftreten. Mit einem Infrarotspektrometer wurden Hinweise auf Vulkanismus auf dem Berg Akhuna gefunden - Ablagerungen von Natriumcarbonat wurden oben und an den Hängen festgestellt. Am wahrscheinlichsten ist Akhuna ein Kryovulkan, d.h. ein Vulkan, der Wasser mit verschiedenen Verunreinigungen spuckt. Leider hat der Berg keine neuen Spuren von Vulkanismus.
In zwei Jahren konnte Dawn viele Materialien identifizieren, die auf die geologische und chemische Aktivität von flüssigem Wasser auf Ceres in der Vergangenheit hinweisen: Es wurde Ton gefunden, der das Ergebnis der Erosion von Vulkangestein, Natriumcarbonat und seiner mit Wasser verbundenen Variante in Form von Kohlenwasserstoffen, besser bekannt als Lebensmittel, ist Soda, auch viel gefunden. Organische Verbindungen sind für eine leichte Rötung der Emissionen einiger Meteoritenkrater verantwortlich. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass die Entwicklung der Oberfläche noch andauert: Erdrutsche steigen von den Hängen einiger Krater herab, Wasser verdunstet aus den von der Sonne erhitzten Oberflächenabschnitten, schafft eine vorübergehende Atmosphäre und setzt sich mit Raureif in einem kalten Schatten ab.
Der hellste Hinweis auf hydrothermale Aktivität in Ceres waren die hellsten Stellen im Occator-Krater. Der Krater selbst erschien vor ungefähr 80 Millionen Jahren, aber die weißen Ablagerungen, die sich auch als Soda herausstellten, sind 30 Millionen Jahre jünger als er. Die frischesten Lagerstätten sind im Allgemeinen nach geologischen Maßstäben neu - etwa 4 Millionen Jahre. In der Mitte des größten Karbonatflecks erhebt sich auch eine kryovulkanische Kuppel, die nur viel kleiner als Akhuna ist.
Ein weiteres Rätsel warf eine Untersuchung des Gravitationsfeldes von Ceres. Nach seinen Ergebnissen ist die Dichte der oberen Schicht des Zwergplaneten ziemlich gering - näher am Eis als am Stein. Nach früheren Studien sollte Wasser 40-50% des oberen Mantels ausmachen. Gleichzeitig ist die Stabilität großer geologischer Formationen wie des Mount Akhuna oder vieler tiefer Krater überraschend. Normaler Permafrost würde solche Strukturen aufgrund der Duktilität des Eises nicht halten. Es stellt sich heraus, dass etwas im Inneren „den Rahmen hält“. Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass Clathrate als „Verstärkung“ des Ceres-Eisdarms dienen - Gashydrate sind kristalline Verbindungen von Wasser und verschiedenen Gasen, die sich bei einem bestimmten Verhältnis von Temperatur und Druck bilden. Beispielsweise tritt Methanhydrat aus Wasser und Methan bei 0 ° C auf. Bei einem Druck von 50 atm und einer Temperaturabnahme nimmt der erforderliche Druck ab. Clathrate können bei gleicher Dichte 100-1000-mal stärker als Eis sein. Das heißt, wir haben indirekte Hinweise auf flüchtige Substanzen vor uns, die in den Tiefen von Ceres verborgen sind und sich nicht mehr an der Oberfläche befinden.
Eine weitere Bestätigung für die frühere Entgasung von Ceres sind die entdeckten Ketten kleiner Krater mit einer Breite von 1 bis 4 km und einer Länge von bis zu 500 km. Vermutlich entstanden sie im Regolith über Rissen in der Kruste eines Zwergplaneten. Risse können einen anderen Ursprung haben: von der Tektonik, von einem starken Asteroideneinschlag, von einer Veränderung des Volumens eines kosmischen Körpers aufgrund seiner Abkühlung ... Aber jeder dieser Gründe hat bestimmte Anzeichen, die nicht auf Ceres zutreffen. Die überzeugendste Hypothese war genau die Entgasung, als Gasströme aus internen Reservoirs durch die Risse aus der Kruste freigesetzt wurden.
Der faszinierendste Fund auf Ceres war der Ammoniak, der mit Carbonaten und Tonen auf der Oberfläche gefunden wurde. In Wasser gelöstes Ammoniak senkt seinen Gefrierpunkt, wodurch Kryovulkane auch bei Temperaturen unter Null ausbrechen können. Ammoniak ist vor allem deshalb interessant, weil es den Ursprung von Ceres irgendwo außerhalb seiner aktuellen Umlaufbahn anzeigt, d. H. Sie ist eine Außerirdische im Haupt-Asteroidengürtel.
Diese Schlussfolgerung folgt aufgrund der sogenannten „Schneegrenze“ (Frostlinie) - der Abstand von der Sonne, bei dem die Wärme nicht mehr ausreicht, um eine gasförmige Form aufrechtzuerhalten, die zur Kondensation des Gases zu einer festen Form führt. Während der Bildung des Sonnensystems befand sich die Schneegrenze für Wasser in einer Entfernung von etwa 420 Millionen km von der Sonne, d.h. darüber, wo Ceres sich dreht. Jetzt befindet sich die Wasserschneegrenze noch weiter - etwa 750 Millionen km von der Sonne entfernt - fast auf der Umlaufbahn des Jupiter. Näher an dieser Entfernung drehen sich nur Steinplaneten, Satelliten und Asteroiden, Eis, auf dem sich nur an den Polen, im Schatten oder unter der Oberfläche befinden kann. Auf den Berggipfeln der Erde hält Eis aufgrund des atmosphärischen Drucks. Weiter von der Wasserschneegrenze entfernt befinden sich Eiskometen, und fast alle Monde des Planeten bestehen entweder aus Eis oder sind mit Eis bedeckt.
Im Gegensatz zu Wasser hat Ammoniak eine niedrigere Kondensationstemperatur, und während der Bildung des Sonnensystems lag seine Schneegrenze etwa 80 Millionen km weiter von der Umlaufbahn von Ceres entfernt, d.h. er konnte nicht an seiner Schaffung teilnehmen. Es gibt andere indirekte Anzeichen dafür, dass Ceres ein Gast im Hauptgürtel ist. Wie bereits erwähnt, ist das Wasser auf dem Zwergplaneten unvergleichlich größer als in den nahe gelegenen Asteroiden. Ausnahmen gibt es nur bei "entarteten" Kometen und entfernten Asteroiden auf der Umlaufbahn des Jupiter. Fast alle großen Asteroiden des Hauptgürtels haben ihre eigenen Familien, d.h. Gruppen kleiner Asteroiden mit gemeinsamen spektralen Eigenschaften und engen Umlaufbahnen, Ceres jedoch nicht.
Im Allgemeinen sollte anerkannt werden, dass Ceres in Form und Zusammensetzung den großen Monden des Jupiter oder sogar anderen Zwergplaneten wie Pluto ähnlicher ist. Die kugelförmigen Monde des Saturn sind aufgrund des höheren Eisgehalts im Allgemeinen weniger dicht als Ceres. Pluto ist dichter als eisige Satelliten, erreicht jedoch nicht Ceres, könnte jedoch aufgrund der "Entladung" leichter Gase bereits nach Annäherung an die Sonne an Dichte gewinnen. Die Neigung der Umlaufbahn von Ceres deutet darauf hin, dass sie nicht vom Jupiter stammt. Vielleicht war sie einst ein Zwergplanet im hinteren Teil des Sonnensystems. Vielleicht gibt eine detailliertere Studie Antworten.
Dawn bereitet sich nun auf die unterste Endbahn mit einer Höhe von 50 km vor. Dies verspricht neue Details an der Oberfläche und neue Entdeckungen. Obwohl es sich in Zukunft lohnen würde, dort eine Landungssonde zu starten. Bereits gemachte Entdeckungen reichen aus, um seine hohe Bedeutung für das Studium der Geschichte und Entwicklung des Sonnensystems zu verstehen.