Charon ist ein mittelgroßer Himmelskörper mit einem Durchmesser von etwa 1207 Kilometern (750 Meilen) im Kuipergürtel – einem Ring aus eisigen Trümmern, Kometen und Zwergplaneten, auch transneptunische Objekte (TNOs) genannt, am Rand des Sonnensystems. Im Gegensatz zu vielen größeren Kuipergürtelobjekten ist Charons Oberfläche nicht mit flüchtigen Eisarten wie Methan bedeckt. Dies ermöglicht Wissenschaftlern wertvolle Einblicke in den Einfluss des Sonnenlichts auf die Kraterbildung dieser fernen Himmelskörper. Darüber hinaus ist Charon der einzige mittelgroße TNO, für den geologische Karten vorliegen. Möglich wurde dies durch Daten der NASA-Raumsonde New Horizons, die vor etwa zehn Jahren das Pluto-System besuchte.
Neue Modelle legen nahe, dass das Gefrieren des inneren Ozeans von Charon tiefe, längliche Senken entlang seiner Mittellinie gebildet haben könnte. Dies könnte jedoch darauf hindeuten, dass die äußere Hülle des Mondes in einem früheren Stadium seiner Geschichte dünner war als bisher angenommen. Die Modelle deuten außerdem darauf hin, dass Kryovulkane, die Eis, Wasser und andere Materialien ausstoßen, auf Charons Nordhalbkugel weniger wahrscheinlich sind.
Die eisigen geologischen Formationen auf Charon überraschten Wissenschaftler, als die NASA-Sonde New Horizons 2015 das Pluto-Charon-System besuchte. Zuvor hatten sie Charon für eine inerte Eiskugel gehalten. Seitdem analysiert ein Forscherteam des Southwest Research Institute (SwRI) die Daten von New Horizons, um die Ursache dieser eisigen Formationen zu verstehen.
Teammitglied und SwRI-Forscherin Alyssa Roden ist Expertin für die Geophysik von Eismonden, insbesondere solcher mit eigenen Ozeanen.
Ein Bild von Charon mit Markierungen, die auf Risse an seiner Oberfläche hinweisen, welche durch einen gefrorenen inneren Ozean verursacht worden sein könnten. NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest
„Eine Kombination aus geologischen Interpretationen und thermoorbitalen Evolutionsmodellen deutet darauf hin, dass Charon einst einen flüssigen Ozean unter seiner Oberfläche besaß, der später gefror“, erklärte sie. „Wenn ein innerer Ozean gefriert, dehnt er sich aus, wodurch erhebliche Spannungen in seiner Eishülle entstehen und der Druck auf das darunterliegende Wasser steigt. Wir vermuten, dass dies die Entstehung der großen Canyons und kryovulkanischen Ströme auf Charon verursacht hat.“ Die Forschungsergebnisse des Teams werden 2023 in der Fachzeitschrift Icarus veröffentlicht.
Roden modellierte die Entstehung von Rissen in Charons Eishülle beim Gefrieren des darunterliegenden Ozeans, um die Entwicklung der Mondoberfläche und des Mondinneren besser zu verstehen. Die in den Modellen berücksichtigten Ozeane bestanden aus Wasser, Ammoniak und einem Gemisch aus beidem. Obwohl Ammoniak als Frostschutzmittel wirken kann und hohe Konzentrationen zum Fortbestehen flüssiger Ozeane beitragen können, stellte Roden fest, dass Unterschiede in der Zusammensetzung der Ozeane die Ergebnisse nicht signifikant beeinflussten.
Als der gefrorene Ozean auf Charons Außenschale drückte, entstanden Risse, die sich durch die gesamte Schale zogen. Mit zunehmendem Volumen des Ozeans verstärkte sich der Druck auf die darüber liegende Flüssigkeit, sodass diese durch die Risse auf Charons Oberfläche brach.
Ein Wissenschaftlerteam suchte nach Bedingungen, unter denen Risse die Eishülle von Charon vollständig durchdrungen haben könnten, wodurch Oberflächen- und Grundwasser miteinander in Kontakt gekommen wären und ozeanischer Kryovulkanismus ermöglicht worden wäre. Dies deutet darauf hin, dass die gängigen Theorien zur Entstehung von Plutos Mond möglicherweise fehlerhaft sind. Diese Theorien gehen davon aus, dass Charons Eishülle zu dick war, um durch die Spannungen beim Gefrieren des Ozeans vollständig aufgebrochen zu werden.
Ein Bild des Zwergplaneten Pluto (links) und seines größten Mondes Charon. Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images
Entweder war Charons Eishülle zum Zeitpunkt der Entstehung der Lavaströme weniger als 10 km dick, anstatt der bisher angenommenen über 100 km, oder die Oberfläche war während des Ausbruchs nicht direkt mit dem Ozean verbunden. Wäre Charons Eishülle dünn genug gewesen, um vollständig zu zerbrechen, hätte dies auf eine deutlich stärkere Vereisung des Ozeans hingedeutet, als die auf Charons Hemisphäre gefundenen Canyons vermuten lassen.
Diese Canyons verlaufen entlang eines globalen tektonischen Rückens, der die Oberfläche von Charon durchquert und die nördlichen und südlichen geologischen Regionen des Pluto-Mondes trennt. Das von den Wissenschaftlern entwickelte Modell legt nahe, dass die Canyons in Rissen im Eispanzer entstanden sein könnten, die nicht bis zum Ozean reichen. Dies würde bedeuten, dass sie nach Brüchen durch Kryovulkanismus und mit der Verdickung der Oberfläche von Charon entstanden sind.
Die Annahme, dass der Kryovulkanismus auf Charon durch einen gefrorenen Ozean angetrieben wird, könnte sich bestätigen, wenn eine zukünftige Mission weitere, größere und ausgedehntere Strukturen auf der Mondhemisphäre entdeckt. Diese von New Horizons nicht erfassten Strukturen stützen die Hypothese, dass Charons Ozean dicker und seine Kruste dünner war als bisher angenommen.
Das Zufrieren der Ozeane sagt auch eine Abfolge geologischer Aktivitäten voraus, in der der ozeanbedingte Kryovulkanismus aufhört, bevor die durch Deformationen bedingte Tektonik einsetzt. Eine detailliertere Analyse der geologischen Aufzeichnungen von Charon könnte helfen, festzustellen, ob dieses Szenario realistisch ist.
Mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) wiesen Astronomen im Jahr 2024 Kohlendioxid und Wasserstoffperoxid auf der gefrorenen Oberfläche von Charon, dem größten Mond des Pluto, nach. Der Nachweis dieser Moleküle könnte Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie Charon und andere eisige Körper am Rande des Sonnensystems entstanden sind.
Charon wird seit seiner Entdeckung im Jahr 1978 intensiv erforscht, doch frühere Studien waren in den Wellenlängen des messbaren Lichts eingeschränkt. Dadurch entstanden Lücken in unserem Verständnis der Oberflächenzusammensetzung von Plutos Mond. Zwar wurden auf Charon Wassereis, Ammoniakverbindungen und organische Verbindungen nachgewiesen, Kohlendioxid und Wasserstoffperoxid hingegen fehlten bisher. Zumindest bis jetzt.
Dieses Bild der rissigen und kraterübersäten Oberfläche von Plutos Mond Charon wurde 2015 von der New Horizons-Mission aufgenommen. NASA/JPL-Caltech
Ein Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Sylvia Protopapa vom Southwest Research Institute (SwRI) schloss diese Wissenslücken durch die Untersuchung von Charon mithilfe des Nahinfrarotspektrographen (NIRSpec) am Joint Westinghouse Telescope (JWST). Die Studie wurde am 1. Oktober 2024 in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Die Studie zeigt, dass die Oberfläche von Charon Spuren seiner Entstehung aufweist, wie beispielsweise Kohlendioxid, sowie Anzeichen von Bestrahlungsprozessen, belegt durch das Vorhandensein von Wasserstoffperoxid. Diese Entdeckungen erweitern das bekannte Wissen über die Zusammensetzung von Charon, zu der Wassereis, Ammoniakverbindungen und organische Verbindungen gehören, die für seine graurote Farbe verantwortlich sind.
Insgesamt machen diese Faktoren Charon zu einem unschätzbar wertvollen Forschungsobjekt, das viele nützliche Informationen liefert. Diese Entdeckungen geben wertvolle Einblicke, wie Prozesse wie Sonneneinstrahlung und Kraterbildung die Oberfläche von Charon und, im weiteren Sinne, auch anderer mittelgroßer Eiskörper jenseits des Neptun formen.
Eine Grafik zeigt Charons Lichtsignatur, die den Nachweis von Wasserstoffperoxid und Kohlendioxid anzeigt. Silvia Protopapa (SwRI), Yan Wong (STScl)
Die Zusammensetzung von Sternen, Planeten und Monden lässt sich anhand des Lichts bestimmen, das sie aussenden oder von ihren Oberflächen reflektieren. Dies ist möglich, da Elemente Licht bei bestimmten Wellenlängen absorbieren und emittieren. Die Untersuchung der Spektren von Himmelskörpern mithilfe der Spektroskopie liefert somit die „Fingerabdrücke“ von Elementen und chemischen Verbindungen.
Protopapa und ihre Kollegen gelangten zu ihren Schlussfolgerungen durch den Vergleich von JWST-Spektroskopiebeobachtungen mit Labormessungen und detaillierten Spektralmodellen der Oberfläche von Charon. Daraus schlossen sie, dass Kohlendioxid überwiegend als Oberflächenschicht auf einem wassereisreichen Untergrund vorliegt.
Die Oberfläche von Charon, wie sie von der New Horizons-Mission entdeckt wurde, ist durch zahlreiche Krater gekennzeichnet, die von hellen Schichten aus Auswurfmaterial umgeben sind, das reich an Wassereis und Ammoniakverbindungen ist. Diese geologischen Merkmale deuten darauf hin, dass die unterirdischen Materialien durch Einschläge freigelegt wurden und geben Aufschluss über die Zusammensetzung des Mondinneren. Das Team interpretiert dies so, dass die obere Kohlendioxidschicht internen Ursprungs ist und durch die Kraterbildung an die Oberfläche gelangte. Das Vorhandensein von Kohlendioxid war auch zu erwarten, da diese Verbindung bekanntermaßen in Regionen der protoplanetaren Scheibe vorkommt, aus der das Pluto-System entstand.
Was das Team nicht erwartet hatte, war der Nachweis von Wasserstoffperoxid. Das Vorhandensein von Wasserstoffperoxid auf der Oberfläche von Jupiters Mond Europa ist seit den 2000er Jahren bekannt. Das unerwartete Vorkommen von Wasserstoffperoxid auf Charon ließ das Team vermuten, dass die wassereisreiche Oberfläche von Plutos größtem Mond aktiv durch ultraviolette Strahlung der Sonne, Teilchen des Sonnenwinds und Ströme geladener Teilchen aus dem Weltraum, sogenannte galaktische kosmische Strahlung, verändert wird.
Plutos Mond Charon, aufgenommen vom New Horizons-Teleskop. NASA/JPL-Caltech
Wasserstoffperoxid entsteht durch die Verbindung benachbarter Hydroxidionenradikale, die bei der Spaltung von Wassermolekülen durch einfallende Ionen, Elektronen oder Photonen gebildet werden. Das Team führte neue Labormessungen durch, um die Möglichkeit der Wasserstoffperoxidproduktion auch in Gegenwart von Kohlendioxid zu bestätigen.
Das Team hat seine Untersuchung von Plutos größtem Mond Charon noch nicht abgeschlossen. Das JWST wird Charon weiterhin erforschen, und die gewonnenen Daten werden dazu beitragen, eisige transneptunische Objekte im Allgemeinen besser zu verstehen. Zukünftige JWST-Beobachtungen, die sich auf spektrale Lücken konzentrieren, die von den aktuellen Daten noch nicht abgedeckt werden, könnten zu neuen Erkenntnissen über Charons Zusammensetzung und einer weiteren Erweiterung seines chemischen Profils führen und möglicherweise andere beteiligte Mechanismen aufdecken.
Eine Studie, die Ende 2025 erwartet wird, legt nahe, dass Pluto vor Milliarden von Jahren seinen größten Mond Charon in einem sehr kurzen, eisigen „Kuss“ eingefangen haben könnte. Diese Theorie könnte erklären, wie der Zwergplanet einen Mond einfangen konnte, der etwa halb so groß ist wie er selbst.
Ein Forscherteam geht davon aus, dass zwei eisige Himmelskörper im Kuipergürtel – einem Ring aus eisigen Körpern am Rand des Sonnensystems, weit entfernt von der Sonne – vor Milliarden von Jahren kollidierten. Anstatt sich gegenseitig zu vernichten, verschmolzen die beiden Körper zu einem rotierenden „kosmischen Schneemann“. Sie trennten sich relativ schnell wieder, blieben aber in ihrer Umlaufbahn gebunden und bildeten so das Pluto-Charon-System, das wir heute kennen. Die Studie des Teams wurde am 6. Januar 2025 in der Fachzeitschrift Nature Geoscience veröffentlicht.
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Dieser „Kuss-und-Einfang“-Prozess bietet eine neue Theorie für die Einfangung von Monden und kosmische Kollisionen. Er könnte Wissenschaftlern auch helfen, die strukturelle Festigkeit der kalten, eisigen Welten im Kuipergürtel besser zu verstehen.
Man entdeckte, dass Pluto, vorausgesetzt, beide sind feste Körper, Charon tatsächlich durch einen gewaltigen Einschlag einfangen könnte. Dieser Kollisionsprozess wird als „Kuss und Einfang“ bezeichnet, da Pluto und Charon kurzzeitig verschmelzen und ein „Kuss“-Element bilden, bevor sie sich wieder trennen und zwei unabhängige Körper entstehen.
Die meisten Planetenkollisionsszenarien werden als „Hit and Run“ oder „Touch and Merge“ klassifiziert, das „Kiss and Grab“-Szenario ist also etwas völlig Neues.
Diese Illustration zeigt Pluto und seinen größten Mond Charon. NASA/Robert Lea
Das Verhältnis zwischen Pluto und Charon gibt Wissenschaftlern Rätsel auf, weil sich die beiden Eisplaneten nur relativ geringfügig in Größe und Masse unterscheiden. Charon ist im Vergleich zu Pluto so riesig, dass sie praktisch einen Doppelplaneten bilden. Er ist halb so groß wie Pluto und macht 12 % dessen Masse aus, wodurch er dem Erdmond viel ähnlicher ist als irgendeinem anderen Satelliten im Sonnensystem.
Im Vergleich dazu ist unser Mond nur ein Viertel so groß wie die Erde, und der größte Mond im Sonnensystem, Ganymed, ist etwa 1/28 so groß wie sein Mutterplanet Jupiter.
Ein Forscher der Universität von Arizona, der gleichzeitig Postdoktorand bei der NASA ist, fügte hinzu, dass es schwierig sei, einen so relativ großen Mond auf dem „normalen“ Weg einzufangen. (Als „normale“ Methode gilt das Gravitationseinfangen von Monden wie den Marsmonden Phobos und Deimos sowie den Monden der Riesenplaneten Jupiter und Saturn.)
Dies bedeutet, dass die vorherrschende Theorie zur Entstehung des Pluto-Charon-Systems auf der Idee der Kollisionseinfangung basiert, ähnlich wie man annimmt, dass ein massiver Körper mit der Erde kollidierte und dabei Material ausstieß, das unser Planet einfing und so unseren Mond bildete.
Dieser Screenshot zeigt das Pluto/Charon-System während seiner „Schneemann“-Phase. Robert Melikyan/Adyn Denton
Bei einer typischen Einfangung kommt es zu einer heftigen Kollision, wodurch sich die beiden Himmelskörper wie eine Flüssigkeit dehnen und verformen. Dieser Prozess erklärt gut die Entstehung des Erde-Mond-Systems, da die bei der Kollision freigesetzte intensive Hitze und die große Masse der beteiligten Körper dazu führen, dass sie sich wie eine Flüssigkeit verhalten.
Bei der Betrachtung der Kollision zwischen Pluto und Charon muss ein weiterer Faktor berücksichtigt werden: die strukturelle Festigkeit kälterer, eisiger und felsiger Körper. Dieser Faktor wurde von Forschern bei der Untersuchung der Entstehung Charons durch eine Kollision bisher vernachlässigt.
Um dies in ihren Simulationen zu berücksichtigen, wandte sich das Team an den Hochleistungsrechnercluster der Universität von Arizona. Als Denton und seine Kollegen die Festigkeit dieser Materialien in ihre Simulationen einbezogen, entdeckten sie etwas völlig Unerwartetes. Da beide Körper über Materialfestigkeit verfügen, drang Charon nicht tief genug in Pluto ein, um mit ihm zu verschmelzen; dies wäre anders, wenn die Körper flüssig wären. Unter denselben Aufprallbedingungen, vorausgesetzt, Pluto und Charon besitzen keine Festigkeit, verschmelzen sie zu einem einzigen größeren Körper, wobei Charon absorbiert wird. Aufgrund ihrer Festigkeit behalten Pluto und Charon jedoch während ihrer kurzen Verschmelzung ihre Struktur.
Da Charon in diesem Szenario nicht in Pluto stürzen konnte, blieb er außerhalb des sogenannten „Korotationsradius“ beider Körper. Folglich konnte er sich nicht mit der gleichen Geschwindigkeit wie Pluto drehen, wodurch die beiden Körper nicht miteinander verschmolzen bleiben konnten. Das Team vermutet, dass Pluto Charon nach der Trennung und dem Ende dieser eisigen Begegnung in eine engere, höhere Kreisbahn schleuderte, von der aus der Mond nach außen driftete.
Die Annäherung, die Verschmelzung, dauert aus geologischer Sicht nur sehr kurz, etwa 10 bis 15 Stunden, danach trennen sich die beiden Himmelskörper wieder. Charon beginnt dann seine langsame Bewegung zu seiner heutigen Position.
Das Team geht davon aus, dass die erste Kollision sehr früh in der Geschichte des Sonnensystems stattfand, wahrscheinlich vor einigen zehn Millionen Jahren nach seiner Entstehung, also vor Milliarden von Jahren.
Beobachtungen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) im Jahr 2025 zeigen, dass die beiden Monde Nix und Hydra dem Inneren von Charon ähnlicher sind als anderen Objekten des Kuipergürtels. Die Ergebnisse legen nahe, dass die mittelgroßen Monde aus Fragmenten des Charon-Inneren bestehen könnten, die bei der heftigen Kollision, aus der Pluto und Charon entstanden, ausgestoßen wurden.
Früheren Berechnungen zufolge entstanden Pluto und Charon durch einen „Kuss-und-Einfang“-Prozess. Die beiden Vorläuferplaneten gerieten in enge Begegnung, wodurch sich die äußeren Schichten des Proto-Charon abspalteten und eine Scheibe aus eisigen Trümmern bildeten. Diese Trümmer vereinigten sich später zu mindestens vier kleineren Monden: Nix, Hydra, Kerberos und Styx.
Das JWST bot die Möglichkeit, diese Idee zu untersuchen. Anfang des Jahres nutzten Forscher das Weltraumteleskop, um die Farben transneptunischer Objekte (TNOs) – Objekte jenseits der Umlaufbahn des achten Planeten – im äußeren Sonnensystem zu klassifizieren. Die neue Studie zeigt jedoch, dass Nix und Hydra in keine dieser Kategorien passen.
Eine zusammengesetzte Aufnahme von Pluto und Charon, aufgenommen von der NASA-Raumsonde New Horizons während ihres Vorbeiflugs am Pluto-System. NASA/JHUAPL/SwRI
Laut Brian Holler, einem Planetenforscher am Space Studies Institute, wird diese Diskrepanz hauptsächlich durch eine rötliche Substanz auf den Mondoberflächen verursacht, die wahrscheinlich Kohlenstoff enthält. Holler präsentierte seine neuen Erkenntnisse auf der Konferenz „Fortschritte im Verständnis von Pluto: 10 Jahre nach dem Vorbeiflug“, die im Juli in Laurel, Maryland, stattfand.
Tatsächlich könnten Teile des uralten Inneren von Charon heute auf seine Oberfläche herabstürzen. Wenn Nix und Hydra mit kleinen Meteoriten kollidieren, könnten Trümmer von ihren Oberflächen aufgrund ihrer geringen Masse und Schwerkraft ins All geschleudert werden. Diese Partikel könnten von Charons Schwerkraft eingefangen werden und auf seine Oberfläche fallen.
„Wir untersuchen möglicherweise das Ausgangsmaterial von Proto-Charon“, sagte Holler in seinem Vortrag im Juli. Auswurfmaterial von Nix und Hydra könnte schließlich auf die Oberfläche fallen und eine mehrere Zentimeter dicke Staubschicht bilden. Da Charon ein geologisch toter Planet ist, bleibt dieser Staub an der Oberfläche zurück und bildet eine Schicht, die der Kruste und dem oberen Mantel ähnelt, die bei der Kollision, die Charon entstehen ließ, ausgestoßen wurden.
Als die NASA-Sonde New Horizons 2015 am Pluto-System vorbeiflog, lieferte sie atemberaubende Aufnahmen von Nix und Hydra. Dabei wurden Daten zur Zusammensetzung des Mondpaares gewonnen. Verbesserte Farbbilder von Nix zeigten ein rötliches, kreisförmiges Muster. Beide Monde weisen eine unregelmäßige Form auf.
Plutos Monde im Maßstab 1:1. Der größte, Charon, ist unten abgebildet. NASA/JHUAPL
Laut Holler lieferten die JWST-Beobachtungen nicht unbedingt neue Erkenntnisse über die Monde. Vielmehr boten sie die Möglichkeit, diese direkt mit anderen transneptunischen Objekten zu vergleichen. Das Weltraumteleskop konzentrierte sich auf die Erforschung von Pluto und Charon. Die Entdeckung von Nix und Hydra war ein reiner Zufall.
Eine frühere Studie, die das JWST zur Klassifizierung transneptunischer Objekte nutzte, schloss die Lücke zwischen den von New Horizons aufgezeichneten sichtbaren und nahinfraroten Wellenlängen. Dies ermöglichte einen direkten Vergleich der mittelgroßen Monde des Pluto mit anderen Objekten des äußeren Sonnensystems.
Nix und Hydra selbst dürften sich seit ihrer Entstehung weitgehend nicht verändert haben. Sie sind zu klein, um aktiven geologischen Prozessen ausgesetzt gewesen zu sein, daher sind die einzigen Veränderungen an ihren Oberflächen wahrscheinlich auf Einschläge und kosmische Verwitterung zurückzuführen.
Durch die Untersuchung solcher Systeme können Forscher besser verstehen, was in den beiden kleinen Monden vor sich geht. Sollten auch andere transneptunische Objekte ähnliche Kollisionen erlitten haben, die zur Entstehung eigener kleiner Monde führten, und deren Zusammensetzung untersucht werden können, könnte dies noch mehr Licht auf diese kleinen, aber rätselhaften Pluto-Satelliten werfen.
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