Die kosmische Kollision, die Plutos Herz formte

Das Geheimnis des Wie Pluto ein riesiges herzförmiges Merkmal auf seiner Oberfläche hatte, wurde schließlich von einem internationalen Team von Astrophysikern unter der Leitung von gelöst Universität Bern und Mitglieder des Nationalen Forschungsschwerpunktes (NFS) PlanetS. Das Team ist das erste, das die ungewöhnliche Form mit numerischen Simulationen erfolgreich reproduzieren konnte und sie auf einen riesigen und langsamen Schrägwinkeleinschlag zurückführt.

Seitdem die Kameras von NASADie New Horizons-Mission entdeckte 2015 eine große herzförmige Struktur auf der Oberfläche des Zwergplaneten Pluto. Dieses „Herz“ hat Wissenschaftler aufgrund seiner einzigartigen Form, geologischen Zusammensetzung und Höhe verwirrt. Wissenschaftler der Universität Bern in der Schweiz und der University of Arizona untersuchten mithilfe numerischer Simulationen die Ursprünge von Sputnik Planitia, dem westlichen tropfenförmigen Teil von Plutos Herzoberflächenmerkmal.

Ihren Untersuchungen zufolge war Plutos frühe Geschichte von einem katastrophalen Ereignis geprägt, das Sputnik Planitia bildete: eine Kollision mit einem Planetenkörper mit einem Durchmesser von etwas mehr als 400 Meilen, der von Norden nach Süden ungefähr so ​​groß ist wie Arizona. Die Ergebnisse des Teams, veröffentlicht in Naturastronomiedeuten auch darauf hin, dass sich die innere Struktur von Pluto von der bisher angenommenen unterscheidet, was darauf hindeutet, dass es unter der Oberfläche keinen Ozean gibt.

„Die Bildung von Sputnik Planitia bietet einen entscheidenden Einblick in die frühesten Perioden der Geschichte Plutos“, sagte Adeene Denton, Planetenwissenschaftlerin am UArizona Lunar and Planetary Laboratory und Mitautorin des Artikels. „Durch die Ausweitung unserer Untersuchung auf ungewöhnlichere Entstehungsszenarien haben wir einige völlig neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Pluto kennengelernt, die auf andere anwendbar sein könnten Kuiper Gürtel auch Gegenstände.“

Ansicht von Pluto, aufgenommen von der NASA-Raumsonde New Horizons am 14. Juli 2015. Bildnachweis: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute

Ein geteiltes Herz

Das „Herz“, auch Tombaugh Regio genannt, erregte sofort nach seiner Entdeckung die Aufmerksamkeit der Öffentlichkeit. Aber es erregte auch sofort das Interesse der Wissenschaftler, weil es mit einem Material mit hoher Albedo überzogen ist, das mehr Licht reflektiert als seine Umgebung und dadurch eine weißere Farbe erzeugt. Das Herz besteht jedoch nicht aus einem einzigen Element. Sputnik Planitia deckt eine Fläche von etwa 750 mal 1.250 Meilen ab, was einem Viertel Europas oder der Vereinigten Staaten entspricht. Auffällig ist jedoch, dass diese Region etwa 2,5 Meilen tiefer liegt als der Großteil der Oberfläche Plutos.

„Während der überwiegende Teil von Plutos Oberfläche aus Methaneis und seinen Derivaten besteht, die eine Wassereiskruste bedecken, ist die Planitia überwiegend mit Stickstoffeis gefüllt, das sich aufgrund der geringeren Höhe höchstwahrscheinlich schnell nach dem Einschlag ansammelte“, sagte der Hauptautor Leiter der Studie ist Harry Ballantyne, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Bern. Der östliche Teil des Herzens ist ebenfalls von einer ähnlichen, aber viel dünneren Stickstoffeisschicht bedeckt, deren Ursprung für Wissenschaftler noch unklar ist, aber wahrscheinlich mit Sputnik Planitia zusammenhängt.

Ein schräger Aufprall

Die längliche Form von Sputnik Planitia und seine Lage am Äquator deuten stark darauf hin, dass es sich bei dem Aufprall nicht um einen direkten, frontalen, sondern um einen schrägen Zusammenstoß handelte, so Martin Jutzi von der Universität Bern, der die Studie initiiert hat. Wie mehrere andere auf der Welt verwendete das Team die Simulationssoftware Smoothed Particle Hydrodynamics, um solche Einschläge digital nachzubilden, wobei sowohl die Zusammensetzung von Pluto und seinem Impaktor als auch die Geschwindigkeit und der Winkel des Impaktors variiert wurden. Diese Simulationen bestätigten die Vermutungen der Wissenschaftler über den schrägen Aufprallwinkel und bestimmten die Zusammensetzung des Impaktors.

„Plutos Kern ist so kalt, dass das Gestein trotz der Hitze des Aufpralls sehr hart blieb und nicht schmolz, und dank des Aufprallwinkels und der geringen Geschwindigkeit sank der Kern des Impaktors nicht in Plutos Kern, sondern blieb intakt.“ als Spritzer darauf“, sagte Ballantyne. Diese Kernstärke und die relativ geringe Geschwindigkeit waren der Schlüssel zum Erfolg dieser Simulationen: Eine geringere Festigkeit würde zu einem sehr symmetrischen verbleibenden Oberflächenmerkmal führen, das nicht wie die Tropfenform aussieht, die die NASA-Sonde New Horizons während ihres Vorbeiflugs an Pluto im Jahr 2015 beobachtete .

„Wir sind es gewohnt, uns Planetenkollisionen als unglaublich intensive Ereignisse vorzustellen, bei denen man die Details ignorieren kann, mit Ausnahme von Dingen wie Energie, Impuls und Dichte“, sagte Erik Asphaug, Professor am Lunar and Planetary Laboratory und Co-Autor der Studie, dessen Team mit ihm zusammengearbeitet hat Schweizer Kollegen erforschen seit 2011 die Idee planetarischer „Spritzer“, um beispielsweise Merkmale auf der anderen Seite des Erdmondes zu erklären. „Im fernen Sonnensystem sind die Geschwindigkeiten viel langsamer als in der Nähe der Sonne, und festes Eis ist stark, daher müssen Sie bei Ihren Berechnungen viel genauer sein. Da beginnt der Spaß.“

Kein unterirdischer Ozean auf Pluto

Die aktuelle Studie wirft auch neues Licht auf die innere Struktur von Pluto. Tatsächlich ist es viel wahrscheinlicher, dass ein riesiger Einschlag wie der simulierte sehr früh in der Geschichte Plutos stattgefunden hat als in jüngerer Zeit. Dies stellt jedoch ein Problem dar: Es wird erwartet, dass eine riesige Depression wie Sputnik Planitia aufgrund der Gesetze der Physik im Laufe der Zeit langsam in Richtung des Pols des Zwergplaneten driftet, da sie weniger massiv ist als ihre Umgebung. Dennoch ist es in der Nähe des Äquators geblieben. Die vorherige theoretische Erklärung berief sich auf einen unterirdischen Ozean mit flüssigem Wasser, ähnlich wie bei mehreren anderen Planetenkörpern im äußeren Sonnensystem. Nach dieser Hypothese wäre Plutos Eiskruste in der Sputnik-Planitia-Region dünner, was dazu führen würde, dass sich der Ozean nach oben ausbaucht, und da flüssiges Wasser dichter als Eis ist, würde ein Massenüberschuss entstehen, der eine Wanderung in Richtung Äquator induziert.

Die neue Studie bietet den Autoren zufolge eine alternative Perspektive und verweist auf Simulationen, in denen der gesamte Urmantel von Pluto durch den Einschlag ausgehöhlt wird und wenn das Kernmaterial des Impaktors auf Plutos Kern spritzt, entsteht ein lokaler Massenüberschuss, der das erklären kann Migration in Richtung Äquator ohne einen unterirdischen Ozean oder höchstens einen sehr dünnen.

Denton, der bereits mit einem Forschungsprojekt begonnen hat, um die Geschwindigkeit dieser Migration abzuschätzen, sagte, diese neuartige und kreative Ursprungshypothese für Plutos herzförmiges Merkmal könne zu einem besseren Verständnis des Ursprungs des Zwergplaneten führen.

Referenz: „Sputnik Planitia als Impaktorrest, der auf ein altes Felsgestein in einem ozeanlosen Pluto hinweist“ von Harry A. Ballantyne, Erik Asphaug, C. Adeene Denton, Alexandre Emsenhuber und Martin Jutzi, 15. April 2024, Naturastronomie.
DOI: 10.1038/s41550-024-02248-1