Geisterhafter Schein: Vom Jupitermond Europa geht ein subtiles Leuchten aus – das Eis seiner Nachtseite fluoresziert grünlich. Ursache dafür ist das Bombardement des Mondes mit geladenen Teilchen aus dem Jupitermagnetfeld. Das Spannende jedoch: Das Spektrum dieser Fluoreszenz könnte verraten, welche Salze in der Kruste des Eismonds enthalten sind – und damit auch, wie lebensfreundlich der subglaziale Ozean darunter ist.
Der Jupitermond Europa gilt als aussichtsreichster Kandidat für außerirdisches Leben in unserem Sonnensystem. Denn unter seiner dicken Eiskruste liegt ein tiefer Ozean aus flüssigem Wasser. Die Gezeitenkräfte des nahen Jupiter liefern die nötige Wärme und sorgen für Strömungen unter dem Eis. Sogar eine Subduktion könnte es auf Europa geben, die immer wieder Teile der Eiskruste in den Ozean absinken und schmelzen lässt – das könnte wichtige Salze und Nährstoffe in das subglaziale Wasserreservoir transportieren.
„Die anorganische Zusammensetzung von Europas Oberfläche zu kennen ist wichtig, um beispielsweise den Salzgehalt des Ozeans und Modelle zum Austausch zwischen Ozean und Oberfläche überprüfen zu können“, erklären Murthy Gudipati vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena und seine Kollegen. Doch bisher war dies nur in Teilen bekannt. So deuteten erste Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop daraufhin, dass Teile der Eiskruste Natriumchlorid enthalten – Kochsalz.
Europas Eisoberfläche fluoresziert
Doch eine ungewöhnliche Eigenschaft des Jupitermonds könnte demnächst helfen, seine Chemie zu entschlüsseln. Denn seine Eisoberfläche leuchtet im Dunkeln. Ursache dieses Scheins ist das ständige Bombardement des Jupitermonds durch geladene Teilchen aus dem Jupitermagnetfeld. Diese kollidieren mit Molekülen und Atomen auf der Eisoberfläche und regen sie an. Wenn dann diese angeregten Atome wieder in ihren Grundzustand zurückfallen, geben sie die Energie in Form von Photonen ab – sie leuchten.
„Eine solche vom Elektronenbombardement induzierte Lichtemission, auch als elektronenstimulierte Lumineszenz bezeichnet, wurde bei reinem Wassereis schon in mehreren Studien beobachtet“, berichten Gudipati und sein Team. Auch salzhaltiges Eis emittiert charakteristische Lichtspektren. Daher müsste auch die Eisoberfläche von Europa farbig fluoreszieren – je nach Region und Zusammensetzung leicht grünlich, mancherorts auch bläulich oder eher gelb.
Allerdings: Von der Erde aus ist dieses subtile Leuchten nicht erkennbar – es ist zu schwach und wird von zu viel Störstrahlung überlagert. Doch schon in wenigen Jahren wird die NASA-Raumsonde Europa Clipper zum Jupitermond starten und ihn dann mehrfach nahe umkreisen. Bei diesen Vorbeiflügen könnte die Sonde die Fluoreszenz von Europa kartieren – und so möglicherweise mehr Aufschluss über die Eiszusammensetzung erhalten.
Eiskrustenbeschuss im Elektronenstrahl-Labor
Ob solche Analysen möglich sind und welche spektralen Signaturen die verschiedenen im Eis des Jupitermonds vorhandenen Moleküle erzeugen könnten, haben nun Gudipati und seine Kollegen in einem Experiment untersucht. Dafür beschossen sie verschiedene Eismischungen mit Elektronenstrahlen von bis zu 25 Megaelektronenvolt – etwa dem Energiebereich der auf Europa einprasselnden Teilchenströme.
Und tatsächlich: Bei Beschuss durch die Elektronen begann das Eis auf charakteristische Weise zu leuchten. „Das wir das so gut sehen würden, hätten wir nicht gedacht: Sobald wir eine neue Eismischung ausprobierten, veränderte sich auch der Schein“, berichtet Gudipatis Kollegin Bryana Henderson. „Wir maßen das mit einem Spektrometer nach und es bestätigte sich: Jeder Eistyp hatte ein anderes Spektrum.“
Geldgrüner Peak und rote Schulter
Die näheren Analysen ergaben, dass das Wassereis auf der Oberfläche von Europa vor allem drei charakteristische Emissionsbanden abstrahlt: Einen Peak im violetten Lichtbereich bei rund 330 Nanometer Wellenlänge, einen zweiten im grünblauen Bereich bei 440 Nanometer und einen dritten, besonders starken mit einem Maximum im gelbgrünen Farbbereich bei 525 Nanometern.
Wenn dem reinen Wassereis jedoch Salze beigemischt sind, verändert sich dieses Grundmuster: Der Zusatz von Kochsalz (NaCl) dämpft den Emissionspeak bei 525 Nanometer deutlich, die Präsenz von Magnesiumsulfat führt dagegen zu einer leichten Verschiebung dieses Peaks auf 560 Nanometer Wellenlänge. „Sulfat-dotierte Eisspektren zeigten zudem eine breite Emissionsschulter im roten Bereich, die bei keiner der anderen Eisarten präsent war“, berichten Gudipati und seine Kollegen.
Kartierung durch den Europa Clipper
Das Entscheidende dabei: Dieses Fluoreszieren ist deutlich genug, um von der Raumsonde Europa Clipper bei ihren Vorbeiflügen in 50 Kilometer Höhe detektiert zu werden, wie die Forscher berechneten. „Es kommt nicht oft vor, dass man im Labor steht und sagen kann: Das werden wir dort finden, wenn wir dorthin gelangen“, sagt Gudipati. „Normalerweise ist es umgekehrt: Man beobachtet vor Ort etwas und versucht dann im Labor es zu erklären.“
Für die Sondenmission zum Jupitermond Europa können die Flugbahnen und Spektrometer nun entsprechend angepasst werden. „Nächtliche Passagen können dann genutzt werden, um eine Karte der Zusammensetzung von Europas Eisoberfläche zu erhalten“, so die Wissenschaftler. Das könnte helfen zu klären, ob Kruste und Ozean des Jupitermonds die chemischen Voraussetzungen für Leben besitzen. (Nature Astronomy, 2020; doi: 10.1038/s41550-020-01248-1)
Quelle: NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL)
