Pluto verliert offenbar seine Atmosphäre, doch die Messung hat einen Haken
Auf Pluto könnte die Atmosphäre langsam ausfrieren. Sternbedeckungen zeigen einen Druckverlust, doch die Messung hat einen Haken.
Plutos auffällige Herzstruktur, die Tombaugh Regio, aufgenommen von der NASA-Sonde New Horizons am 13. Juli 2015 aus rund 768.000 km Entfernung. Das große Stickstoffeisreservoir in der Region spielt eine zentrale Rolle für die Entwicklung der dünnen Atmosphäre des Zwergplaneten.
Foto: NASA/JHUAPL/SwRI
Plutos dünne Atmosphäre könnte begonnen haben, sich zurückzuziehen. Messungen aus dem Jahr 2022 ergeben je nach Berechnungsverfahren einen Druckverlust von bis zu 16 %. Die Aussage ist allerdings weniger eindeutig, als die Zahl vermuten lässt: Das Ergebnis hängt stark davon ab, welche Atmosphärenschicht und welches Modell die Forschenden betrachten.
„Verlieren“ bedeutet dabei nicht unbedingt, dass Pluto seine Gase ins All abgibt. Wahrscheinlicher ist, dass ein Teil des gasförmigen Stickstoffs auf der immer kälteren Oberfläche wieder zu Eis wird. Ob dieser Prozess bereits eindeutig eingesetzt hat, müssen weitere Beobachtungen zeigen.
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Sternenlicht macht Plutos Atmosphäre sichtbar
Direkte Messungen vor Ort sind derzeit nicht möglich. Die Raumsonde New Horizons flog 2015 an Pluto vorbei und entfernte sich danach weiter in den Kuipergürtel. Von der Erde aus erscheint der Zwergplanet selbst in leistungsfähigen Teleskopen nur als kleiner Lichtpunkt.
Ein internationales Forschungsteam um Amanda Sickafoose vom Planetary Science Institute nutzte deshalb sogenannte Sternbedeckungen. Dabei zieht Pluto aus Sicht der Erde vor einem weit entfernten Stern vorbei. Dessen Licht durchquert zunächst die Atmosphäre des Zwergplaneten, bevor Pluto den Stern vollständig verdeckt.
Die Gase brechen das Sternenlicht, während Dunstpartikel zusätzlich Licht streuen. Der Stern wird daher nicht schlagartig dunkel. Aus dem zeitlichen Verlauf seiner Helligkeit können Forschende auf Druck, Temperatur und Ausdehnung der Atmosphäre schließen.
Zehn seltene Bedeckungen ausgewertet
Das Team untersuchte zehn Sternbedeckungen zwischen August 2017 und Juli 2023. Nur vier davon ließen sich von mehreren Orten gleichzeitig beobachten. Bei den übrigen sechs stand jeweils lediglich eine Messlinie durch Plutos Schatten zur Verfügung.
Das ist ein Problem. Bei einer einzelnen Beobachtung lässt sich nicht immer eindeutig bestimmen, wie nah die Messlinie am Zentrum des Schattens vorbeiführte. Eine kleinere Atmosphäre auf einer zentraleren Bahn kann eine ähnliche Lichtkurve erzeugen wie eine größere Atmosphäre, die weiter außen durchquert wurde. Beobachtungen von mehreren Standorten reduzieren diese geometrische Unsicherheit.
Die Auswertung deutet darauf hin, dass Plutos Atmosphärendruck vom Vorbeiflug von New Horizons im Jahr 2015 bis ungefähr 2021 weitgehend konstant blieb. In den besseren Messungen aus dem Jahr 2022 liegen die Werte dagegen niedriger.
Der Haken hinter den 16 %
Wie stark Plutos Atmosphärendruck tatsächlich gesunken ist, lässt sich nicht mit einer einzigen Zahl angeben. Das Ergebnis hängt davon ab, welche Atmosphärenschicht die Forschenden untersuchen und wie sie den dort vorhandenen Dunst im Modell berücksichtigen.
In der weitgehend klaren oberen Atmosphäre, etwa 87 km über Plutos Oberfläche, sank der berechnete Druck zwischen dem Mittelwert der Jahre 2015 bis 2021 und den Messungen von 2022 von 2,04 auf 1,90 Mikrobar. Das entspricht einem Rückgang von 7 ± 6 %. Da die Messunsicherheit fast so groß ist wie der berechnete Rückgang, ist dieses Ergebnis nicht eindeutig.
Anders sieht es in einer tieferen Schicht aus, rund 27 km über der Oberfläche. Berücksichtigt das Modell dort auch den atmosphärischen Dunst, ergibt sich ein Druckverlust von 6,17 auf 5,20 Mikrobar – ein Rückgang von 16 ± 2 %. Dieser Wert ist deutlich belastbarer.
Die beiden Prozentwerte lassen sich allerdings nicht direkt miteinander vergleichen. Sie beziehen sich auf unterschiedliche Höhen und beruhen auf verschiedenen Modellen. Die 16 % sind daher kein unabhängig gemessener Rückgang des gesamten Atmosphärendrucks, sondern das Ergebnis einer bestimmten Modellrechnung.
Warum kein Oberflächendruck gemessen wird
Sternbedeckungen erfassen Plutos Atmosphäre meist nicht bis zum Boden. Das Sternenlicht verschwindet vorher hinter dem festen Körper oder wird in den tieferen Schichten zu stark abgeschwächt. Die Forschenden geben den Druck deshalb an festgelegten Referenzradien an.
Um daraus den Druck an der Oberfläche zu berechnen, müssten sie Annahmen über Temperaturverlauf, Dichte und Dunstverteilung in den nicht beobachteten Schichten treffen. Verändert sich die Struktur der Atmosphäre im Laufe der Zeit, kann ein fester Umrechnungsfaktor das Ergebnis verfälschen. Die Autoren halten Druckangaben für die stabilere obere Atmosphäre deshalb für belastbarer als eine Hochrechnung bis zur Oberfläche.
Hinzu kommt: Die Messung vom Juli 2023 hatte ein geringes Signal-Rausch-Verhältnis. Sie eignet sich nach Einschätzung des Teams nicht dazu, kleine Veränderungen der Atmosphäre zuverlässig zu bestimmen. Der zentrale Befund stützt sich daher vor allem auf die hochwertigeren Daten von 2022 – nicht auf einen durchgehend bis 2023 nachgewiesenen Abwärtstrend.
Plutos Stickstoff wird wieder zu Eis
Plutos Atmosphäre besteht überwiegend aus Stickstoff. Hinzu kommen unter anderem Methan und Kohlenmonoxid. Ihr Druck liegt nur im Mikrobarbereich und damit bei wenigen Millionsteln des irdischen Luftdrucks.
Die Atmosphäre steht in engem Austausch mit den Eisschichten auf der Oberfläche. Erwärmt sich das Stickstoffeis, geht ein Teil direkt in die gasförmige Phase über. Sinkt die Temperatur, lagert sich der Stickstoff wieder als Eis auf dem Boden ab.
Pluto bewegt sich auf einer stark elliptischen Bahn. Seinen sonnennächsten Punkt erreichte er 1989. Seitdem entfernt er sich von der Sonne und erhält langfristig weniger Strahlungsenergie. Modelle erwarten deshalb für die kommenden Jahrzehnte einen deutlichen Rückgang des Atmosphärendrucks.
Der Druck reagiert allerdings zeitverzögert. Messungen zufolge nahm er zwischen 1988 und 2016 zunächst weiter zu. Danach folgte offenbar eine mehrjährige Plateauphase. Thermische Energie im Untergrund sowie die saisonale Verlagerung der Stickstoffeisflächen können verhindern, dass die Atmosphäre unmittelbar auf die wachsende Sonnenentfernung reagiert.
Droht ein vollständiger Atmosphärenkollaps?
Ein starker Druckrückgang bedeutet nicht zwangsläufig, dass Plutos Atmosphäre vollständig verschwindet. Modelle kommen bei dieser Frage zu unterschiedlichen Ergebnissen.
Nach neueren Berechnungen dürfte vor allem das große Stickstoffeisreservoir in Sputnik Planitia eine dünne Restatmosphäre erhalten. Das helle Becken bildet die linke Hälfte der auffälligen Herzstruktur auf Plutos Oberfläche. Auch die hohe thermische Trägheit des Untergrunds könnte die Abkühlung bremsen.
Die neuen Beobachtungen passen zu einem beginnenden Rückgang, beweisen aber noch keinen vollständigen Atmosphärenkollaps. Auch der Dunst erschwert die Interpretation: Veränderungen in den Lichtkurven können sowohl durch sinkende Partikel als auch durch einen veränderten Temperaturverlauf entstehen. Die obere Atmosphäre blieb zwischen 2017 und 2023 dagegen weitgehend ähnlich aufgebaut.
Weitere Sternbedeckungen müssen den Trend bestätigen
Entscheidend sind nun weitere Bedeckungen mit hellen Hintergrundsternen und Beobachtungen von mehreren Standorten. Erst solche Daten können zeigen, ob die niedrigeren Werte von 2022 tatsächlich den Beginn einer langfristigen Entwicklung markieren.
Bestätigt sich der Druckverlust, wäre damit das mögliche Ende der seit 2015 beobachteten Plateauphase dokumentiert. Die Daten könnten zudem helfen, Modelle zum Transport der flüchtigen Eissorten auf Pluto voneinander zu unterscheiden.
Die Studie ist im Fachjournal The Planetary Science Journal erschienen. Die Forschenden betonen selbst, dass zusätzliche Messungen erforderlich sind, um den Druckrückgang sicher zu bestätigen.
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