Pluto und seine fünf Monde: Charon, Nix, Hydra, Styx und Kerberos

Physikalische und orbitale Eigenschaften

Allgemeine Daten und Zusammensetzung

Pluto hat einen mittleren Durchmesser von etwa 2376 km und eine Masse von etwa \(1,303 \times 10^{22}\) kg. Seine mittlere Dichte (\(\approx 1,85\) g/cm³) deutet auf eine Zusammensetzung hin, die hauptsächlich aus Wassereis gemischt mit einem felsigen Kern besteht.

Das Doppelsystem Pluto-Charon

Sein Hauptsatellit Charon ist relativ groß (1212 km Durchmesser) mit einem außergewöhnlich hohen Größenverhältnis zu Pluto (etwa 0,51), was das System Pluto-Charon zu einem synchronen Doppelsystem macht: Die beiden Körper zeigen sich permanent die gleiche Seite.

Die anderen Monde und ihre orbitale Dynamik

Die vier anderen Monde sind viel kleiner und von länglicher Form, mit äquivalenten Durchmessern von etwa 40 km für Nix und Hydra und etwa 10 km für Kerberos und Styx. Sie umkreisen das gemeinsame Baryzentrum des Systems, jenseits der Umlaufbahn von Charon. Styx, Nix und Hydra sind durch eine Drei-Körper-Resonanz (nahe dem Verhältnis 3:4:6) verbunden, ähnlich der Laplace-Resonanz, die die Jupitermonde Io, Europa und Ganymed verbindet, was zur langfristigen dynamischen Stabilität des Systems beiträgt. Kerberos hingegen nimmt nicht vollständig an dieser Resonanz teil. Eine bemerkenswerte Tatsache, die durch Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop und später durch die Sonde New Horizons enthüllt wurde: Im Gegensatz zu den meisten Satelliten im Sonnensystem sind Nix und Hydra nicht in synchroner Rotation gebunden, sondern rotieren chaotisch unter dem Einfluss der Gezeitenkräfte, die von dem Paar Pluto-Charon ausgeübt werden.

Innere Struktur: ein unterirdischer Ozean unter Sputnik Planitia?

Das Rätsel der Ausrichtung von Sputnik Planitia

Eines der faszinierendsten Ergebnisse der New-Horizons-Mission betrifft die innere Struktur von Pluto. Die Position der riesigen eisigen Ebene Sputnik Planitia, die sehr präzise mit der Gezeitenachse des Systems Pluto-Charon ausgerichtet ist, veranlasste mehrere Teams zu der Annahme, dass diese Ausrichtung auf eine Neuartrichtung des gesamten Zwergplaneten (ein Phänomen der "wahren Polwanderung") zurückzuführen ist, verursacht durch einen lokalen Massenüberschuss unter diesem Becken.

Die Hypothese des flüssigen Ozeans

Ein so tiefes Einschlagbecken sollte jedoch ein Massendefizit und keinen Überschuss aufweisen. Um diese positive Gravitationsanomalie trotz einer negativen Topographie zu erklären, schlugen F. Nimmo und seine Kollegen vor, dass ein Ozean aus flüssigem Wasser unter der Eiskruste von Pluto existiert: Die Ausdünnung der Kruste unter dem Becken, kombiniert mit einer leichten Ablagerung von festem Stickstoff an der Oberfläche, würde ausreichen, um den beobachteten Massenüberschuss zu erzeugen. Ein solcher Ozean würde eine starre und schlecht leitende Eishülle erfordern, um trotz der extremen Kälte auf Pluto über Milliarden von Jahren flüssig zu bleiben.

Konkurrierende Hypothesen und wissenschaftliche Debatte

Es handelt sich jedoch um einen indirekten Hinweis und nicht um einen direkten Nachweis: Eine konkurrierende Hypothese, vertreten von J. Keane und I. Matsuyama, führt die Neuausrichtung auf die zyklische Ansammlung flüchtiger Eise und nicht auf einen inneren Ozean zurück. Die beiden Mechanismen schließen sich nicht unbedingt gegenseitig aus, und die Frage wird von der planetologischen Gemeinschaft aktiv diskutiert.

Tabelle: Pluto, Charon und ihre Monde, ein gravitativer Tanz

N.B.:
Die Periodenverhältnisse zu Charon sind nahe an, aber verschieden von den ganzen Zahlen 3:4:5:6; sie stellen daher keine strenge Mittelbewegungsresonanz mit Charon dar. Allerdings sind Styx, Nix und Hydra tatsächlich untereinander durch eine Drei-Körper-Resonanz nahe dem Verhältnis 3:4:6 verbunden (Showalter & Hamilton, 2015).

Detaillierte physikalische Analyse

Dynamik des Doppelsystems Pluto-Charon

Die große relative Größe von Charon bewirkt einen gemeinsamen Schwerpunkt außerhalb von Pluto, ein charakteristisches Merkmal eines Doppel-systems. Diese Konfiguration beeinflusst die Rotation und die gegenseitigen Gezeitenkräfte, was zu einer vollständigen Synchronisation führt: Pluto und Charon zeigen sich immer die gleiche Seite.

Aus energetischer Sicht hat die Dissipation der Gezeitenkräfte durch innere Reibung diese gegenseitige gravitative Bindung ermöglicht, mit bemerkenswerten Auswirkungen auf die Tektonik und Geologie beider Körper.

Orbitale Resonanzen der kleinen Monde

Die kleinen Monde mit ihren resonanten Umlaufbahnen deuten auf ein stabiles gravitatives Gleichgewicht hin, das aus Mehrkörperwechselwirkungen resultiert. Ihre Zusammensetzung wird als überwiegend eisig angenommen, mit geringeren Dichten als Charon, aber präzise Daten müssen noch verfeinert werden: Die Massen von Styx, Nix, Kerberos und Hydra sind noch zu ungenau, um zuverlässige Dichten abzuleiten.

Ihre orbitalen Resonanzbeziehungen gewährleisten eine bemerkenswerte dynamische Stabilität trotz ihrer geringen Größe und Masse.

Ursprung und Bildung des Plutonischen Systems

Die Entdeckung dieser kleinen Monde ermöglichte es auch, die Dynamik der Trümmer und die potenzielle Bildung des Systems zu untersuchen, das hypothetisch aus einem großen Einschlag auf Pluto resultiert, ähnlich der hypothetischen Bildung unseres eigenen Mondes.

Dieses Szenario erklärt die Zusammensetzung und die orbitale Anordnung der Satelliten und unterstreicht gleichzeitig die Komplexität der gravitativen Wechselwirkungen in diesem äußeren Sonnensystem.

Warum haben die Beobachtungen von New Horizons unser Verständnis revolutioniert?

Eine direkte und beispiellose Erforschung

Die Mission New Horizons, die 2006 gestartet wurde und im Juli 2015 an Pluto vorbeiflog, markierte einen großen Fortschritt bei der Erforschung transneptunischer Objekte durch die Sammlung von in-situ-Daten von beispielloser Präzision. Vor dieser Mission beruhte unser Wissen hauptsächlich auf telescopischen Beobachtungen, die durch die Entfernung, die Größe und die geringe Leuchtkraft von Pluto und seinen Monden eingeschränkt waren.

Eine unerwartete Geologie auf Pluto

New Horizons lieferte hochauflösende Bilder, die die geologische Vielfalt von Pluto zeigen und komplexe Geländeformen wie Wasser-Eisberge, Stickstoff-Eisebenen (insbesondere die Sputnik Planitia), Brüche und Verwerfungen, die durch tektonische Spannungen verursacht wurden, sowie Hinweise auf Kryovulkanismus enthüllten. Diese Vielfalt deutet auf eine aktuelle, ja sogar gegenwärtige geologische Aktivität hin, was für einen Körper dieser Größe und Entfernung von der Sonne unerwartet war.

Charakterisierung der sekundären Monde

Aus dynamischer Sicht ermöglichte New Horizons die präzise Messung der orbitalen und physikalischen Parameter der Pluto-Monde, einschließlich ihrer Größen, Formen, Zusammensetzungen und Albedos. Die Bilder und Spektren bestätigten die überwiegend eisige Zusammensetzung der sekundären Monde mit möglichen Variationen in der Eisart und Verunreinigung durch organische Materialien oder Tholine.

Eine dünne, aber aktive Atmosphäre

Die Entdeckung einer dünnen, aber komplexen Atmosphäre um Pluto, die hauptsächlich aus Stickstoff (\(N_2\)), Methan (\(CH_4\)) und Kohlenmonoxid (\(CO\)) besteht, hat unser Verständnis der Sublimation, der flüchtigen Kreisläufe und der Klimarückkopplungen in extrem kalten Umgebungen verändert. Es wurden auch Schichten von atmosphärischem Dunst nachgewiesen, die auf eine aktive atmosphärische Photochemie hindeuten.

Ein natürliches Labor für Eiswelten

New Horizons verwandelte Pluto von einem fernen und wenig bekannten Zwergplaneten in ein natürliches Labor für die Erforschung der Geophysik kleiner Eiswelten, der orbitalen Dynamik von Mehrkörpersystemen und der chemischen Evolution in den äußeren Regionen des Sonnensystems. Diese Beobachtungen haben die theoretischen Modelle der Satellitenbildung, der Niederdruckatmosphären und der differenzierten inneren Strukturen im Kuipergürtel tiefgreifend beeinflusst.