Jupiters mächtige Eismonde

Von Christian Pinter

Reflexionen
Io mit den Monden Europa, Ganymed und Kallisto (v.l.n.r.), unten der Jupiter.
© NASA-JPL-DLR

Die ESA-Sonde JUICE soll ab 2031 drei Trabanten des Riesenplaneten erforschen.


Ab dem 7. Jänner 1610 erspähte Galileo Galilei in seinem Fernrohr drei, dann vier Lichtpünktchen nahe dem Jupiter. Offensichtlich umkreisten sie diesen Planeten. Das widersprach der althergebrachten Ansicht, wonach sich buchstäblich alles um die Erde drehen müsse. Im Lichte dieser Entdeckung bekannte sich Galilei erstmals öffentlich zum kopernikanischen Weltbild.

In Verbeugung vor den Medici taufte er das Mondquartett "Mediceische Gestirne". Das Fürstengeschlecht dankte ihm mit der Ernennung zum Hofphilosophen. Der Franke Simon Marius sah die Monde ganz kurz nach Galilei und schlug dagegen die Bezeichnung "Brandenburgische Gestirne" vor. 1614 griff Marius jedoch eine Idee des Johannes Kepler auf: Er wählte vier Figuren zur Mondbenennung, auf die Zeus (römisch: Jupiter) einst seine Begierde gerichtet hatte.

Den Mythen nach lockte der Gott die Io in den Wald und entehrte sie. Unfreiwillig geschwängert wurde auch die Kallisto, der sich Zeus tückisch in Gestalt der Mond- und Jagdgöttin näherte. Der phönizischen Königstochter Europa, der mythischen Namensgeberin unseres Kontinents, erschien Zeus in Gestalt eines Stiers. Als sich Europa arglos auf dessen Rücken schwang, schwamm er mit ihr nach Kreta. Um den jungen Hirten Ganymed zu entführen, schlüpfte der Gott ins Federkleid eines Adlers. Ganymed diente fortan als Mundschenk im Olymp.

Funkelnde Scheibchen

Die Umlaufszeiten der vier Monde nehmen von innen (1,8 Tage bei Io) nach außen (16,7 Tage bei Kallisto) zu. In Linz weilend, sah Johannes Kepler in ihrem Bewegungsspiel sein drittes Planetengesetz bestätigt. Zur Bestimmung des Längengrads auf See brauchte man ein Instrument zur Messung von Gestirnhöhen - und eine Uhr, die den dazugehörigen Zeitpunkt verriet. Galilei schlug vor, die Io als "Himmelsuhr" zu nutzen, denn dieser flinke Mond verschwindet regelmäßig in Jupiters Schatten. Olaus Römer bemerkte: Die beobachteten Verfinsterungen verspäteten sich gegenüber der Vorausberechnung, wenn Jupiter und Io ferner von der Erde standen. Das Licht brauchte dann offensichtlich mehr Zeit, um uns die Kunde vom Ereignis zu überbringen. So maß der Däne 1676 erstmals die Lichtgeschwindigkeit.

Im "Sternenboten" berichtete Galilei 1610 erstmals von den Jupitermonden (hier ein Nachdruck von 1718).
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Die vier Galileischen Monde wären hell genug, um sie mit freiem Auge zu erspähen. Doch der gleißende Jupiter ertränkt sie in seinem Licht. Ein Fernglas, verwacklungsfrei auf einem Stativ montiert, löst sie aus seinem Glanz. Wie offenbar schon Galilei auffiel, funkeln die feinen Lichtpunkte weniger als Fixsterne. In stärkeren Teleskopen sieht man sie nämlich als winzige Scheibchen - und als solche sind sie weniger anfällig für die störenden Auswirkungen der irdischen Luftunruhe.

Europa auf der griechischen 2-Euro-Münze.
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Allerdings ist es so, als wollten wir eine 2-Euro-Münze aus 3 bis 5 Kilometer Abstand untersuchen. Bei einer Erddistanz um 600 Millionen Kilometer schrumpfen die Monde arg zusammen, trotz ihrer Durchmesser von 3.122 Kilometer (Europa) bis 5.268 Kilometer (Ganymed). An Großteleskopen des 19. und 20. Jahrhunderts machten scharfsichtige Astronomen dennoch diffuse Schattierungen auf ihnen aus, speziell auf Ganymed. Infrarotspektren zeigten Signaturen von Wassereis. Nur Io tanzte aus der Reihe: Ihre wärmere Farbtönung war schon zuvor aufgefallen. Jüngst wies das Spektrometer am Keck-Observatorium, Hawaii, auf allen vier Monden Polarlichter nach.

Zur näheren Erkundung schoss die NASA ab 1973 Späher am Jupiter vorbei. Auf Pioneer 10 und 11 folgten Voyager 1 und 2: Diese rasenden Reporter präsentierten die vier Großmonde 1979 als höchst individuelle Welten. 1995 trat erstmals eine Raumsonde in einen Orbit um Jupiter ein: Galileo kam den Monden dabei mehrmals nahe. Seit 2016 erforscht die NASA-Sonde Juno den Gasplaneten. Sie funkte neue Bilder von Ganymed und Europa zur Erde. Würden die Galileischen Monde direkt um die Sonne kreisen, gingen sie als Planeten durch. Das gilt nicht für die 91 kleinen Jupitermonde, die man später aufgestöbert hat: Die meisten messen nur 1 bis 5 Kilometer.

Ähnlich unserem Erdmond sind Jupiters Großmonde in gebundener Rotation gefangen. Sie halten ihrem Planeten stets dieselbe Hemisphäre hin. Die Umlaufszeiten von Io, Europa und Ganymed verhalten sich wie die Zahlen 1, 2 und 4. Dieser Resonanz wegen weichen die Umlaufbahnen etwas von der Kreisform ab. Während sie den 318 Erdmassen "schweren" Riesenplaneten Jupiter umrunden, werden die Mondkugeln von den Gezeitenkräften "durchgeknetet".

Zweierlei Vulkanismus

Die resultierende Wärme verwandelt Io in den vulkanisch aktivsten Körper des Sonnensystems! Über hundert Vulkane erbrechen Lava auf ihre Oberfläche. Ios Landschaften werden immer wieder neu gestaltet. Man misst ihr Alter lediglich in Jahrmillionen. Schwefelablagerungen sorgen für den gelblichen Teint, durchzogen von weißen Flächen aus Schwefeldioxidfrost und geschmückt mit rötlichen Tupfern. Unter der Kruste mag sich ein globaler Magmaozean erstrecken.

Das Antlitz der weiter außen anschließenden Monde ist hingegen zu Eis erstarrt. Bei Temperaturen von minus 170 Grad Celsius wird Europas Oberflächeneis ähnlich hart wie Fels. Da es unter Druck schmilzt, kennt der Mond aber keine richtigen Gebirge. Europas "Bergriesen" sind nur ein paar hundert Meter hoch. Ihre besonders glänzende, glatte Kruste ist jünger als 90 Millionen Jahre. Auch hier gab es einst Vulkanismus - aber nicht mit Lava, sondern mit geschmolzenem Eis!

Nahaufnahmen zeigen Brüche, in denen einst frischeres Eis an die Oberfläche quoll. Die rotbraune Tönung rührt von Natriumchlorid her. Man erblickt kantige zerbrochene Schollen, die sich verschoben und gedreht haben. Offenbar schwammen sie auf Wasser oder rutschen auf matschigem Eis dahin.

Europas schwaches Magnetfeld ist "geborgt". Es stammt von elektrischen Strömen, die von Jupiters starkem Magnetfeld induziert werden - und zwar in eine salzhaltige, leitfähige Flüssigkeit. Demnach verbirgt Europa sehr wahrscheinlich einen globalen Wasserozean unter der Eiskruste. In 4 bis 8 Kilometer Tiefe könnten außerdem Seen im Eis stecken, die womöglich noch immer Wasserdampffontänen antreiben.

Ganymed mit der dunklen Galileo Regio – Amateuraufnahme aus 600 Millionen Kilometer Distanz.
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Jupiter ist der mit Abstand mächtigste Planet, sein Ganymed der größte Mond im ganzen Sonnensystem: Dennoch sind Eistektonik und Eisvulkanismus hier längst Geschichte - Ganymeds braungraue Eiskruste ist im Schnitt dreieinhalb Milliarden Jahre alt. Dunkle Schollen wie Galileo Regio oder Marius Regio grenzen sich scharf von etwas jüngeren und helleren Partien ab. Anders als Europa generiert Ganymed sein Magnetfeld selbst. Sein Eisenkern ist noch teilweise flüssig. Geladene Teilchen aus Jupiters Magnetosphäre zerstören Wassereismoleküle an der Mondoberfläche. Der Wasserstoff entweicht ins All, der Sauerstoff schenkt Ganymed die hauchdünne Karikatur einer Atmosphäre. Aus der Bewegung der darin tanzenden Polarlichter schließt man ebenfalls auf einen Ozean im Untergrund. Möglicherweise wechseln einander sogar mehrere Schichten aus Eis und Wasser ab, ähnlich Zwiebelschalen.

Je älter eine Oberfläche ist, desto mehr Einschlagskrater sammeln sich darauf an. Krater sind somit die "Altersflecken" des Sonnensystems. Bei den Galileischen Monden nimmt deren Anzahl von innen nach außen zu: Der Kraterreichtum der Kallisto verrät bereits ein Landschaftsalter von vier Milliarden Jahren. Die strahlungsbedingte Zerstörung des Oberflächeneises lässt mit der Zeit außerdem dunkle Beimengungen zurück. Kallistos bräunlich-graues Eis reflektiert daher nur noch wenig Sonnenlicht.

Weit von Jupiter abstehend, nimmt sie nicht am wärmenden 1:2:4-Resonanzspiel der anderen Monde teil. In jungen Jahren wurden diese beim Zerfall radioaktiver Isotope aufgeschmolzen. In ihren Zentren entstanden Eisenkerne, eingehüllt von steinernen Mänteln. Nicht so bei Kallisto: Sie besteht durch und durch aus einem Gemisch von silikatischem Gestein und Wassereis. 100 bis 300 Kilometer unter der Oberfläche sollten Druck und Temperatur aber ausreichen, um auch Kallistos Eis in flüssiges Wasser zu verwandeln.

Müssen die lichtlosen Meere solcher Eismonde unbedingt lebensfeindlich und steril sein? Auf Erden widerstehen einfache Kreaturen mitunter ungewöhnlichsten Temperatur-, Druck- oder pH-Werten. Manche trotzen wüstenhafter Trockenheit, hohen Giftstoffkonzentrationen oder brutalen Strahlungsdosen. Mit zunehmender Komplexität der Lebewesen schwindet allerdings ihre Toleranz fürs Extreme.

Leben im Untergrund?

Am finsteren Grund der irdischen Tiefsee fand man hydrothermale Quellen. Dort dringt erhitztes, mit Sulfiden und anderen Salzen angereichertes Wasser aus dem Boden. Mitgerissene Minerale formen dutzende Meter hohe Schlote. Im Umfeld dieser "Schwarzen Raucher" gedeihen bestimmte Bakterien, Archaeen, Muscheln, Würmer oder Krabben. Extremophile Lebewesen hausen vielleicht auch im Untergrund von Eismonden. Die Eiskrusten blockieren zwar das Sonnenlicht, schützten verborgene Ozeane und deren etwaige Bewohner aber vor dem Vakuum, der unerbittlichen Kälte und der harten Strahlung des Alls.

Probe eines "Schwarzen Rauchers" vom Boden der irdischen Tiefsee.
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Weitere Erkenntnisse erhofft man sich vom Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE). Die ESA-Sonde, deren Thermalschutz aus dem niederösterreichischen Berndorf stammt, soll am 13. April 2023 starten - und zwar von Kourou in Französisch-Guayana aus. Um Schwung zu holen, wird sie dreimal an der Erde und einmal an der Venus vorbeijagen. Den Jupiter erreicht JUICE im Jahr 2031. Dann stehen 35 Vorbeiflüge an den drei Eismonden Europa, Ganymed und Kallisto an.

Die zehn Bordinstrumente erforschen beispielsweise die genaue Zusammensetzung des Oberflächeneises. Sie messen die durch die Gezeitenkräfte bedingten Verformungen des Ganymed oder fahnden nach Wasserdampffontänen auf Europa. Das Radar kann etwa 9 Kilometer tief in die Krusten blicken, um nach Übergängen von Eis zu flüssigem Wasser zu fahnden. 2034 schwenkt der europäische Späher dann sogar in einen Orbit um Ganymed ein. Zwölf Monate später zerschellt er auf dessen Kruste.

Christian Pinter, geboren 1959, schreibt seit 1991 über Astronomie im "extra" der "Wiener Zeitung". Im Internet: www.himmelszelt.at.