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Saturn ist wahrlich mit Monden gesegnet. Angesichts der eindrucksvollsten übersieht man gerne die weniger bekannten. Vor allem Iapetus lässt Astronomen rätseln.

Dank immer besserer Technik, innovativen Ansätzen und internationaler Kooperation erlebt die Astronomie eine Blüte. Doch während viele Beobachtungen dabei helfen, Theorien zu verfeinern oder auszusortieren, gibt es auch immer wieder Entdeckungen, die einfach nicht zu passen scheinen. Mysteriöse Signale, mutmaßliche Verstöße gegen Naturgesetze und – noch – nicht zu erklärende Phänomene. In der Öffentlichkeit wird dann gerne darüber diskutiert, ob es sich um Spuren außerirdischer Intelligenz handelt, Wissenschaftler wissen, dass es am Ende fast immer eine natürliche Erklärung gibt. Aber überall wird die Fantasie angeregt.

In einer Artikelserie auf heise online stellen wir einige solcher astronomischen Anomalien aus einer jüngst vorgestellten Sammlung [1] vor und erklären, warum alle Erklärungsversuche bislang an ihnen scheitern.

Die X-Akten der Astronomie

In der Astronomie gibt es immer wieder Beobachtungen, die erst einmal nicht zu erklären sind. Während einige dahinter gleich Außerirdische vermuten, erwarten sich andere neue Erkenntnisse über die Natur des Universums. Spannend sind sie allemal. heise online wirft einen Blick auf einige dieser bis dato nicht zu erklärenden Anomalien.

• Der unmögliche Weiße Zwerg [2]
• Das Wow!-Signal, oder Ist da jemand? [3]
• Moduliert da etwa jemand Galaxienkerne? [4]
• Die Geister-Planeten um einen Untoten [5]
• Können Sterne einfach verschwinden? [6]
• Der unmögliche Dreifachstern KIC 2856960 [7]
• Das Rätsel der Braunen Riesen [8]
• Die Geheimnisse des Walnuss-Monds [9]
• Der hyperschnelle Kugelsternhaufen HVGC-1 [10]
• Auf der Suche nach Dyson-Sphären [11]
• Die spukhafte Leoncino-Zwerggalaxie [12]
• Die rätselhaften Radiosignale aus dem Untergrund [13]
• Der dunkle Beschleuniger [14]
• Radioblitze vom anderen Ende des Universums [15]
• KIC 8462852 - von großen und kleinen Abtauchern [16]

Was mir als Autor am gestellten Thema dieser Reihe gefällt, ist dass sie ein komplettes Bestiarium der Astronomie abdeckt, von Doppelsternen über Pulsare, Galaxien und Supernovae bis hin zu Schwarzen Löchern. Keine astronomische Übersicht wäre aber komplett ohne einen Blick auf unser Sonnensystem. Auch vor unserer Haustür gibt es ungelöste Rätsel. Begeben wir uns nun an einen Ort, den wir schon mit unseren Robotersonden besucht haben. Ins System der Saturnmonde!

Erdgas-Regen und organische Geysire

Saturn mit seinen Ringen ist wohl der faszinierendste Anblick, den ein Himmelsobjekt im Teleskop bieten kann. Wer ihn einmal mit eigenen Augen gesehen hat, ist meistens mit dem Astronomie-Virus infiziert. Kaum weniger faszinierend sind die Satelliten des Riesenplaneten, von denen bisher 82 entdeckt wurden. 13 der Monde sind größer als 50 Kilometer und schon lange bekannt. Die meisten übrigen wurden beim Vorbeiflug der Voyager-Sonden in den Jahren 1980 und 1981 sowie vom Orbiter Cassini entdeckt, der das Saturnsystem von 2004 bis 2017 erkundete. Die Sonden lieferten uns phantastische Nahaufnahmen der Monde, die zum Teil völlig anders als unser Erdmond sind.

Der größte, Titan, ist mit 5149 Kilometern Durchmesser größer als der Planet Merkur (4880 Kilometer) und hat eine überwiegend aus Stickstoff bestehende Atmosphäre, die 1,6-mal dichter ist als diejenige der Erde, so dass es leicht war, die Sonde Huygens mit Hilfe von Hitzeschild und Fallschirm dort landen zu lassen [17], um uns Bilder von der Oberfläche zu senden. Sie enthüllten eine Welt mit Bergen aus Eis, auf die Regen aus flüssigem Erdgas (Methan) fällt, der über Bäche und Flüsse in Seen abfließt, der größte davon so groß wie das Kaspische Meer.

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Huygens' Landung auf dem Titan (0 Bilder) [18]

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Der mit nur 500 Kilometer Durchmesser viel kleinere Enceladus machte Schlagzeilen, weil sich höchstwahrscheinlich ein umspannender Ozean aus flüssigem Salzwasser [20] unter seinem Eispanzer verbirgt, das durch Risse in der Gegend des Südpols geysirartig in den Weltraum gesprüht wird. Enceladus gilt als vielversprechender Ort, an dem Leben entstanden sein könnte. Die Raumsonde Cassini durchflog die Geysirwolke [21] und konnte ein paar Tropfen des Fontänenwassers mit ihren beschränkten und nicht für die Suche nach Leben konzipierten Instrumenten analysieren. Sie fand darin auffällig schwere Moleküle [22], die nur organisch sein können, denn nur Kohlenwasserstoff-Kettenmoleküle haben so hohe Massen.

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Saturnmond Enceladus (0 Bilder) [23]

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"Organisch" bedeutet zwar nicht, dass es sich um Spuren existierenden Lebens handelt, aber immerhin dass dort offenbar komplexe chemische Reaktionen ablaufen, die eine notwendige Voraussetzung für die Entstehung von Leben sind. Was gäben Biologen dafür, einen Tropfen dieses Wassers im Labor analysieren zu dürfen!

Ein Mond spielt Verstecken

Weniger im Rampenlicht steht der drittgrößte Mond des Saturn, der den Riesenplaneten in 3,56 Millionen Kilometern Entfernung umkreist, 9-mal weiter entfernt als unser Mond die Erde. Iapetus wurde im Oktober 1671 von Giovanni Cassini entdeckt, der auch seine Umlaufzeit von 79,3 Tagen bestimmte. Cassini wunderte sich allerdings, warum er den Mond immer nur auf der Westseite des Planeten finden konnte und nie im Osten. Er vermutete, dass eine Hälfte des Mondes viel dunkler als die andere sei, so dass der Mond auf der Ostseite des Planeten nicht zu erkennen war.

Das erwies sich später mit größeren Teleskopen, die ihn auch im Osten aufspürten, als korrekt – die helle Seite von Iapetus ist fast fünfmal heller als die dunkle. Iapetus wendet dem Saturn stets die gleiche Seite zu, so dass wir von der Erde aus östlich des Saturns immer auf die in Umlaufrichtung vorauseilende, dunkle Seite schauen und westlich des Saturns stets auf die dem Umlauf nachfolgende, helle Seite.

Erst die Nahaufnahmen der Voyager-Sonden und später die Mission Cassini-Huygens halfen das Rätsel um den janusköpfigen Mond zu lösen. Iapetus ist mit 1492 Kilometern Äquatordurchmesser weniger als halb so groß wie der Erdmond. Er hat dabei nur 1/3 der Dichte des Erdmondes, da er zu einem großen Teil aus gefrorenem Wasser besteht, das im äußeren Sonnensystem bei seiner Entstehung reichlich vorhanden war. Die helle Seite ist schneeweiß, sie sieht aus, als ob es auf dem Mond geschneit hätte. Die dunkle Seite ist hingegen dunkelbraun.

Die am meisten akzeptierte Theorie zur Entstehung der beiden so verschiedenen Hemisphären besagt, dass ein Temperaturgefälle zwischen der dunklen Seite, die mehr Sonnenlicht absorbiert, und der hellen Seite besteht, die mehr Licht reflektiert. Tatsächlich wird die dunkle Seite in Äquatornähe mit -144°C rund 15 K wärmer als die eisbedeckte Seite mit -160°C. Auf der wärmeren Seite sublimieren [25] Eis und gefrorenes Kohlendioxid zu Gas, das um den Mond herum auf die kühlere Seite wandert, wo es sich in der Kälte niederschlägt. Allerdings brauchte es für diesen Mechanismus einen Anstoß, denn beide Seiten erhalten gleich viel Sonnenlicht. Ein kleiner anfänglicher Unterschied muss durch den Mechanismus verstärkt worden sein.

Und dieser Anstoß liegt in seinem äußeren Nachbarmond Phoebe begründet. Die nur 213 Kilometer durchmessende Phoebe umkreist den Saturn gegenläufig (retrograd), also entgegen dem Sinn der Rotation des Planeten und dem Umlauf der übrigen Monde, wie auch Iapetus. Bei Phoebe handelt es sich vermutlich um ein eingefangenes Objekt aus dem Kuiper-Gürtel, einer Region von großen Asteroiden im äußeren Sonnensystem. Sie enthalten große Mengen von gefrorenen Gasen, darunter Kohlendioxid, Methan und Wasser, die sich im UV-Licht der Sonne zu Kohlenwasserstoffketten und –ringen verbinden, organischen Molekülen, die sehr gut Wärme absorbieren.

Das ständige Bombardement von Mikrometeoriten wie auch die Sublimation der Gase im Sonnenlicht sorgen dafür, dass Phoebe diese Stoffe entlang ihrer Umlaufbahn verteilt. Der Sonnenwind verweht das Material zu einem breiten Ring, der 2009 vom Spitzer-Weltraumteleskop im Infrarotlicht nachgewiesen werden konnte. Iapetus kreist im inneren Teil des Phoebe-Rings und seine stets in Richtung der Orbitalbewegung vorauseilende Seite sammelt das ihm entgegen kommende Material auf und wird dadurch dunkler. So kam es dazu, dass die vorauseilende Seite mehr Wärme aufnahm und die flüchtigen Stoffe auf die kühlere Rückseite wanderten.

Ein Mond wie eine Walnuss

Schaut man sich Iapetus näher an, fallen neben dem Helligkeitsunterschied der Hemisphären aber noch andere Merkwürdigkeiten auf: zunächst ist der Mond deutlich sichtbar abgeplattet, der Äquatordurchmesser ist um 1/22 größer als der Durchmesser von Pol zu Pol. Auch der Saturn selbst und die Erde sind abgeflacht, und zwar um 1/10 bzw. 1/298, was sich leicht durch ihre schnelle Rotation erklären lässt (Saturn: 10h33m, Erde: 23h56m). Die Fliehkräfte ziehen die Planeten am Äquator auseinander, aber Iapetus rotiert nur einmal in 79 Tagen 7 Stunden und 43 Minuten, einmal je Umlauf. Seine Abplattung entspricht hingegen einer Rotationszeit von nur 16,5h!

Das ungewöhnlichste Merkmal des Mondes ist indes ein Gebirgskamm, der sich mit ein paar Unterbrechungen über ¾ des Umfangs schnurgerade exakt entlang des Äquators erstreckt, vor allem über der dunklen Hemisphäre (Carcassone, Toledo und Tortelosa Montes). Er ist so groß, dass er ohne weiteres auf Fotos zu sehen ist, die den gesamten Mond zeigen, und er verleiht ihm in Kombination mit der Abplattung ein walnussartiges Aussehen. An der Basis 200 Kilometer breit sind die höchsten Berge bis zu 20 Kilometer hoch und gehören damit zu den höchsten Erhebungen im Sonnensystem überhaupt. Der Querschnitt ist überwiegend trapezförmig mit abgeflachter Oberseite und ca. 15° steilen Flanken, die Spuren von Erdrutschen zeigen. Der Kamm ist stark verkratert und scheint daher sehr alt zu sein.

Eine solche Struktur ist von keinem anderen größeren Körper im Sonnensystem bekannt. Wie kann sie entstanden sein? Es gibt im Wesentlichen zwei Klassen von Erklärungsansätzen: endogene und exogene. Endogene Ursachen liegen in Iapetus selbst begründet, exogene kommen von außen.

Hat Iapetus Cellulite?

Eine Gruppe der endogenen Hypothesen stützt sich auf die abgeplattete Form. Sie deutet darauf hin, dass der Mond ursprünglich in einer Größenordnung von 10 Stunden einmal um sich selbst wirbelte, bevor er allmählich durch die Gezeitenkräfte des Saturns auf die heutigen 79 Tage abgebremst wurde. Als die Fliehkräfte zunehmend nachließen, verursachte die am Äquator aufgetürmte, erstarrte Masse des äquatorialen Wulstes durch ihr Gewicht ein großflächiges Absinken der Oberfläche in der Äquatorgegend, was den Boden am Äquator zusammengedrückt und aufgefaltet haben soll.

Andere Experten halten aber wenig von dieser These, denn die Kräfte sollten abseits des Äquators in Ost-West-Richtung größer als in Nord-Süd-Richtung sein; das Gewicht, das den Wulst einebnen will, drückt ihn vor allem seitlich nach Norden und Süden, wo der Umfang des Mondes kleiner wird, was die Oberfläche in Ost-West-Richtung zusammenschieben würde, so als ob man auf Wasser treibende Eisschollen in eine Verengung eines Kanals fließen lässt. Dies hätte zu Falten und Furchen entlang der Längengrade führen müssen, die nicht beobachtet werden.

Andere endogene Hypothesen gehen von konvektiven Strömungen im Eismantel des Mondes aus, die beidseitig gegenläufig am Äquator aufstiegen und so den Kamm hochgeschoben haben sollen. Abgesehen davon, dass es schwierig ist, eine Konvektion zu erklären die im Norden und Süden des Äquators perfekt symmetrisch ist, um eine so symmetrische Struktur wie Iapetus’ Äquatorialkamm hervorzubringen, erfordern solche Modelle eine sehr dünne, verformbare Kruste. Diese hätte das aufgetürmte Gewicht später allerdings nicht mehr tragen können, als die stützende Kraft der Konvektion mit zunehmender Abkühlung des Mondinneren wegfiel. Bekanntlich fließt Wasser auch in gefrorenem Zustand unter seinem Gewicht (Gletscher!) und mit dem Wegfall des Auftriebs beim Abkühlen des Eises wäre der Kamm schneller im Eis versunken, als dieses im gut isolierten Inneren des Mondes hätte erstarren können.

Oder ein Schleudertrauma?

Der schnell rotierende Asteroid 66391 Moshup [26] brachte die Astronomen Mikhail Kreslavsky und Francis Nimmo 2010 auf eine andere Idee: dieser Asteroid rotiert einmal in nur 2 ¾ Stunden. Die Rotation ist so schnell, dass ein am Äquator einen Meter in die Höhe gehobener Stein im Orbit um den Asteroiden verbleiben würde! Daher hat die Fliehkraft Geröll zum Äquator rutschen und rollen lassen, wo es sich zu einem Grat aufgetürmt hat. Wenn sich Iapetus gemäß seiner Abplattung früher einmal viel schneller gedreht hätte, hätte er so sein Kammgebirge bilden können?

Anders als der durch und durch erstarrte Asteroid wäre Iapetus mit seinem aufgeschmolzenen Inneren bei der nötigen Rotationsgeschwindigkeit, die den Äquator in die Nähe der Orbitalgeschwindigkeit von 400 m/s gebracht hätte, noch wesentlich stärker abgeplattet gewesen, als er es heute ist – die Rückverformung auf die heutige Abplattung hätte während der nachfolgenden Verlangsamung der Rotation seine Oberfläche sichtbar zerfurchen müssen. Außerdem verliert ein so schnell rotierender verformbarer Körper seine Achsensymmetrie: er würde sich entlang einer Achse in der Äquatorebene auseinander ziehen und die Form eines dreiachsigen Ellipsoids annehmen, mit verschiedenen Durchmessern in allen drei Raumrichtungen, etwa wie ein abgeflachter American Football mit abgerundeten Spitzen. Der Zwergplanet Haumea [27] hat bei 3h55m Rotationszeit eine solche Form angenommen.

Abstürzende Geröllhaufen

Eine andere exogene Theorie von Wing-Huen Ip besagt, dass sich bei seiner Entstehung in jenem Wirbel in der protoplanetaren Staubscheibe, der Saturn und seine Monde hervorbrachte, ein Ring aus Geröll um Iapetus gebildet haben soll. Durch Kollisionen im Inneren des Rings verloren die Trümmer Energie bis sie schließlich im flachen Winkel auf den Äquator herunter regneten und so den Kamm auftürmten. Die Einschläge wären mit moderater Geschwindigkeit in der Größenordnung der Orbitalgeschwindigkeit von 400 m/s erfolgt. Dies hätte nicht zu explosionsartigen Einschlagsereignissen mit tiefen Kratern geführt, wie es bei mit kosmischen Geschwindigkeiten einschlagenden Asteroiden der Fall ist, so dass ein allmähliches Auftürmen im Bereich des Möglichen läge.

Dann stellt sich jedoch die Frage, warum dieser Mechanismus nur bei Iapetus aufgetreten sein soll und sonst bei keinem anderen Mond im Sonnensystem. Die Zone, in der ein Körper, der eine große Zentralmasse umkreist, eigene Objekte im Orbit halten kann, wird "Hill-Sphäre [28]" genannt und sie hängt von der Zentralmasse, der Masse des Körpers und ihrem Abstand voneinander ab. Eine große Zentralmasse und eine kleine Mondmasse sorgen bei geringem Abstand für eine kleine Hillsphäre des Mondes. Iapetus ist verhältnismäßig massereich und weit weg vom Saturn. Die Hill-Sphäre von Iapetus ist mit 35640 Kilometer somit groß und im Verhältnis zu seinem Radius sogar die größte aller großen Monde im Sonnensystem, was erklärt, warum gerade er einen Ring hätte halten können. Aber auch die 4820 Kilometer durchmessende Kallisto, Jupiters zweitgrößter Mond, hat eine mit über 50.000 Kilometer sehr große Hill-Sphäre – warum sollte sie dann nicht auch einen Trümmerring entwickelt haben? Man hat berechnet, dass er einen Kamm von über 6 Kilometer Höhe hätte bilden sollen.

Einschlag mit Extra-Mond

Plausibler erscheint die Hypothese von Harold Levison, K.J. Walsh, A.C. Barr und L. Dones aus dem Jahre 2011. Sie schlagen einen großen Einschlag auf Iapetus vor. Kollisionen kamen in der Frühzeit des Sonnensystems oft vor; unser Mond soll beispielsweise bei einer solchen Kollision der Erde mit einem marsgroßen Planeten [29], Theia genannt, entstanden sein.

Der Einschlag eines großen Asteroiden im flachen Winkel auf Iapetus’ Oberfläche soll nach Levison et al. ein gutes Prozent seiner Masse herausgeschlagen und in eine Umlaufbahn geschleudert haben. Ein Teil davon wurde jenseits Iapetus’ Roche-Grenze katapultiert und fand sich zu einem Satelliten zusammen, ein anderer Teil verblieb innerhalb seiner Roche-Grenze. Unterhalb der Roche-Grenze [30] sind die Gezeitenkräfte (also die Scherkräfte, die durch verschiedene Umlaufzeiten in verschiedenen Höhen auf einen ausgedehnten Körper wirken) so stark, dass Objekte mit geringem Zusammenhalt zerbrechen müssen und ein Ring aus Trümmern sich nicht zu einem Satelliten vereinigen kann.

Der Satellit im Orbit hätte nach der Hypothese von Levison et al. mit seiner Schwerkraft die Ringtrümmer abgebremst und rasch zum Absturz gebracht. Darüber hinaus hätte er die Rotation von Iapetus verlangsamt, so wie der Erdmond die Rotation der Erde abbremst: durch seine Gezeitenkraft bewegt unser Mond nicht nur Wasser in den Ozeanen, sondern verformt den gesamten Erdkörper zu einem Ellipsoid. Unter dieser Verformung muss die Erde hindurch rotieren. Die inneren Reibungskräfte zehren Rotationsenergie auf und verlangsamen auf diese Weise die Erddrehung, während der Mond gleichzeitig Drehimpuls aufnimmt und sich von der Erde entfernt. Da sich die Erde schneller dreht als der Mond sie umkreist, wird die lange Achse des Ellipsoids von der Erdrotation mitgezogen und eilt dem Mond voraus, so dass sie einen Hebel bildet, der mit seiner Schwerkraft den Mond mitzieht und beschleunigt, was seine Bahn anhebt, zur Zeit um 3,8 cm/Jahr.

Ähnliches soll Iapetus durch seinen kleinen Sub-Mond widerfahren sein, was seine Rotation wesentlich effizienter bremste als der ferne Saturn es vermocht hätte. Der Submond wanderte derweil nach außen und ging schließlich verloren, als er die Hill-Sphäre verließ (oder er näherte sich wieder und stürzte auf Iapetus, siehe nächster Abschnitt).

Die Erklärung, warum nur Iapetus einen solchen Ring bilden konnte, wäre dann, dass ein passender Einschlag hinreichend selten vorgekommen sei. Was nicht völlig überzeugend ist, weil auch andere Monde am Ende ihrer Entstehung unzählige Male von großen Asteroiden getroffen worden sein müssen.

Eine tragfähigere Theorie

Andrew Dombard, Andrew Cheng, William McKinnon und Jonathan Kay schlugen 2012 eine modifizierte Variante von Levisons Theorie vor. Aus einer Arbeit von Paul Schenk entnahmen sie das Höhenprofil von Iapetus in der Gegend der höchsten Erhebungen bei den Toledo Montes zwischen 140° und 170° Länge, siehe folgende Grafik. Das umgebende Gelände zeigt keinerlei Spuren davon, vom Bergkamm in die Tiefe gedrückt worden zu sein.

Was sagt dies über die Entstehung des äquatorialen Gebirgskamms aus? Dombard et al. führten dazu Finite-Elemente-Simulationen der Verformung eines Eismantels unter der Last eines Gebirgskamms bei verschiedenen Temperaturen durch. Die Autoren modellierten eine konstante Oberflächentemperatur von 90 K und mehrere unterschiedliche Temperaturen im Gesteinskern, dessen Wärme durch Leitung im Eis nach außen transportiert wird. So wollten sie erschließen, wann der Kamm ungefähr entstanden sein könnte, denn Iapetus war nach seiner Entstehung noch durch die Kollisionen der Asteroiden, aus denen er entstand, und radioaktiven Zerfall von Uran aufgeheizt und dementsprechend war das Eis weniger tragfähig als später, nachdem Iapetus abgekühlt war.

Die nächste Grafik zeigt die Ergebnisse zweier Simulationen. Demnach wäre ein 20 Kilometer hoher und 200 Kilometer breiter Gebirgskamm bei einem Wärmefluss von 18 Milliwatt pro Quadratmeter binnen 10 Millionen Jahren komplett eingesunken und zerflossen. Bei einem Wärmefluss von 3 mW/m² hätte sich an der Basis ein 5 Kilometer tiefer Graben gebildet und der Kamm wäre um diesen Betrag eingesunken und niedriger geworden. Zwar zeigt die Querschnittsgrafik oben bei -400 Kilometer einen vergleichbaren Graben, aber dieser ist wesentlich weiter entfernt, nur einseitig und daher sicher nicht auf das Einsinken des Kamms zurück zu führen. Um ein Einsinken auf weniger als 1 Kilometer Tiefe zu beschränken, muss der Wärmefluss zur Zeit seiner Entstehung kleiner als 1 mW/m² gewesen sein. Dies war gemäß den Autoren erst eine Milliarde Jahre nach der Entstehung von Iapetus der Fall. Da war die Einschlagsfrequenz von Asteroiden schon auf das heutige Niveau abgesunken und das mutmaßliche "Große Bombardement" (welches ohnehin eher das innere Sonnensystem betroffen hätte) schon Erdgeschichte.

Demnach müsste Iapetus’ äquatorialer Kamm vergleichsweise jung sein. Wie ließe sich die verzögerte Entstehung des Kamms erklären? Die Hypothese von Dombard und seinen Kollegen wurde durch eine solche der Entstehung des Pluto-Charon-Systems [33] motiviert. Darin wird angenommen, dass Charon einst ein eigener Zwergplanet war, der mit Pluto streifend kollidierte. In Plutos und Charons Entfernung von der Sonne sind die Bahngeschwindigkeiten der Objekte klein und unterscheiden sich kaum, so dass Charon nicht völlig zertrümmert wurde, sondern seinen Zusammenhalt wahren konnte. Der Zusammenstoß bremste Charon so weit ab, dass er im Orbit um Pluto verblieb. Die beiden Objekte bremsten ihre Rotation gegenseitig und rotieren heute doppelt gebunden, d.h. sie zeigen sich gegenseitig stets die gleichen Hemisphären.

Kosmische Schneeballschlacht

Analog nehmen Dombard et al. an, dass in der Entstehungsphase des Saturn-Satellitensystems ein großer Saturnmond von ca. 200 Kilometer Durchmesser streifend mit Iapetus kollidierte, die Kollision halbwegs intakt überlebte und in einen Orbit um Iapetus eingebremst wurde. Ausgehend von der ursprünglich schnelleren Rotation von Iapetus hätte der Submond diese fortan verlangsamt.

Wenn der Submond Iapetus retrograd, also gegenläufig gegen dessen Rotation umkreist hätte, wäre er wegen der Erhaltung des Drehimpulses näher an Iapetus heran gerückt, denn er hätte Drehimpuls an Iapetus abgeben müssen, so dass Iapetus langsamer in Gegenrichtung rotierte. Je tiefer er gesunken wäre, desto schneller hätte er dann Iapetus umkreisen müssen, denn die Kreisbahngeschwindigkeit nimmt mit schrumpfendem Radius zu, der Bahnumfang zugleich ab. Die zunehmende Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Submond und Iapetus hätte die Bremswirkung schnell vergrößert. Bei Erreichen der Roche-Grenze hätte es den Submond zerlegt und es wäre ein Ring entstanden, der schließlich wie in Ips Theorie auf den Mond gestürzt wäre.

Hätte der Submond Iapetus prograd, also rechtläufig mit dessen Rotation umlaufen, dann hätte er sich zunächst von Iapetus entfernt, weil er Drehimpuls von diesem aufgenommen hätte. Bei etwa 19-21 Iapetus-Radien hätten beide dann kurzfristig gebunden rotiert: Iapetus hätte sich in derselben Zeit von ca. 11-13 Tagen einmal um sich selbst gedreht, in der ihn der Submond einmal umkreiste. Das System hätte wie Pluto und Charon dann eigentlich stabil bleiben können – wenn der Saturn nicht gewesen wäre. Der Riesenplanet hätte Iapetus’ Rotation weiter verlangsamt, um ihn schließlich in die heutige 79-tägige gebundene Rotation um den Riesenplaneten zu zwingen. Während Iapetus zunehmend langsamer rotierte als der Submond ihn umkreiste, wäre die Entwicklung analog zum retrograden Fall verlaufen und Iapetus hätte dem Submond Drehimpuls entzogen, so dass dieser sich wieder dem Saturntrabanten genähert hätte, den er immer schneller hätte umkreisen müssen, bis er dann an der Roche-Grenze zerbrochen und abgestürzt wäre.

Im folgenden Diagramm sind die von Dombard und Kollegen errechneten Entwicklungslinien verschiedener Submond-Szenarien bis zum Crash aufgetragen. Ausgehend von 5, 10, 15 oder 20 Iapetus-Radien beim Start entwickelt sich der Bahnradius bei retrogradem Umlauf entlang der gestrichelten Linien und bei progradem Umlauf entlang der durchgezogenen. Retrograde Umläufe führen nur bei einem Start von 20 Radien Abstand zu einer Lebensdauer von über einer (10⁰) Milliarde Jahren während die prograden Szenarien in allen Fällen 1,5 bis 3 Milliarden Jahre bis zum Crash benötigen.

Und das ist genau die Zeit, die Iapetus brauchte, um so weit abzukühlen, dass er den 20 km hohen Bergkamm tragen konnte. Dies erklärt, warum der Gebirgskamm nur auf Iapetus entstand – weil Iapetus eine große Hill-Sphäre besitzt, die verhinderte, dass sein Satellit verloren ging und dieser so lange überleben konnte, bis die Oberfläche fest genug war, den äquatorialen Kamm tragen zu können. Nur wenige andere geeignete Kandidaten existieren im Sonnensystem.

Dazu gehören neben Iapetus die Kallisto des Jupiter, Titan beim Saturn, sowie Titania und Oberon beim Uranus. Bei Kallisto fanden die Missionen Voyager und Galileo keinen äquatorialen Kamm. Titan hat eine Atmosphäre mit erodierenden Niederschlägen, Wind und Flüssen aus Methan, sowie tektonischen Prozessen, die einen hypothetischen ursprünglichen äquatorialen Kamm hätten einebnen können. Und von Titania und Oberon gibt es wegen der Orientierung der Polachsen der Monde in Richtung zur Sonne beim Vorbeiflug der Voyager-2-Sonde kaum gute Aufnahmen der Äquatorregionen – hier müssen wir noch auf eine zukünftige Mission warten.

Die Hypothese von Dombard, Cheng, McKinnon und Kay klingt plausibel und funktioniert auf dem Papier, aber es ist bisher kein zweiter Präzedenzfall zur Überprüfung bekannt und die starke Verkraterung des Kamms spricht eher für eine Entstehung in der Frühphase des Sonnensystems. Kurz vor Ende ihrer Mission im Jahr 2017 flog die Cassini-Sonde dann ganz nahe an die Ringe heran und sendete uns Bilder von drei kleinen Saturnmonden, deren Gestalt die Autoren 2012 noch nicht kannten: Atlas, Daphnis und Pan, die gewaltige Äquatorialkämme aufgetürmt haben [35], weil sie innerhalb der flachen Saturnringe kreisen und Ringmaterial, das mit ihnen kollidierte, am Äquator angesammelt haben. Vielleicht ist der Äquatorialkamm des Iapetus ähnlich entstanden – oder auch ganz anders. Wir wissen es nicht. Was für das Breakthrough-Listen-Team Grund genug war, Iapetus in ihre Liste ungeklärter Anomalien aufzunehmen.

(mho [37])

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[16] https://www.heise.de/hintergrund/Die-X-Akten-der-Astronomie-KIC-8462852-von-grossen-und-kleinen-Abtauchern-4941203.html
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[19] https://www.heise.de/bilderstrecke/bilderstrecke_2516961.html?back=4889489;back=4889489
[20] https://www.heise.de/news/NASA-Sonde-Cassini-findet-unterirdischen-Ozean-auf-Saturnmond-Enceladus-2162283.html
[21] https://www.heise.de/news/Cassini-aus-dem-Wasserdampf-des-Saturnmonds-Enceladus-zurueck-2864732.html
[22] https://scienceblogs.de/alpha-cephei/2018/07/25/lebensspuren-auf-enceladus/
[23] https://www.heise.de/bilderstrecke/bilderstrecke_2162337.html?back=4889489;back=4889489
[24] https://www.heise.de/bilderstrecke/bilderstrecke_2162337.html?back=4889489;back=4889489
[25] https://de.wikipedia.org/wiki/Sublimation_(Phasen%C3%BCbergang)
[26] https://de.wikipedia.org/wiki/(66391)_Moshup
[27] https://de.wikipedia.org/wiki/(136108)_Haumea#/media/Datei:Haumea_Rotation.gif
[28] https://de.wikipedia.org/wiki/Hill-Sph%C3%A4re
[29] https://www.heise.de/news/Forscher-Gigantische-Kollision-vor-Mondentstehung-brachte-Wasser-auf-die-Erde-4428396.html
[30] https://de.wikipedia.org/wiki/Roche-Grenze
[31] https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2011JE004010
[32] https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2011JE004010
[33] https://science.sciencemag.org/content/307/5709/546.full?ijkey=80kIz6.fmc2SE&keytype=ref&siteid=sci
[34] https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2011JE004010
[35] https://www.heise.de/news/NASA-Sonde-Cassini-Seltsam-geformter-Saturnmond-Pan-abgelichtet-3648905.html
[36] https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2011JE004010
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