Dwergplaneet Ceres zit vol verrassingen: een ijsvulkaan en een atmosfeer

Waarnemingen van de NASA-ruimtesonde Dawn die rond de de dwergplaneet Ceres cirkelt, tonen dat Ceres een vreemde en geologisch actieve wereld is. In het recente verleden waren er ijsvulkanen actief, de korst van Ceres is een unieke mengeling van ijs en rotsen, en de dwergplaneet heeft waarschijnlijk een zwakke en veranderlijke atmosfeer.
Een voorstelling van Dawn en Ceres (illustratie: NASA).

"Toen we bij Ceres aankwamen, verwachtten we verrast te worden, en dat is ook gebeurd op veel verschillende manieren", zei de belangrijkste onderzoeker van het Dawn-project, Chris Russell aan de site Space.com. Russel is een professor in de geo- en ruimtefysica aan UCLA, de University of California, Los Angeles.

"Ceres is gedurende zijn geschiedenis inwendig actief geweest, het binnenste ervan is veranderd, geëvolueerd, net zoals het binnenste van de aarde verandert in de loop van de tijd", zei Russell. "Het ligt op de overgang tussen de kleinere asteroïden en de aarde, in de zin dat het verandert, en veranderd is sinds de tijd dat het materiaal waaruit Ceres bestaat, oorspronkelijk samengekomen is."

De bevindingen over Ceres gebaseerd op de nieuwe waarnemingen van Dawn, zijn gepubliceerd in zes studies in het wetenschappelijk tijdschrift Science.

De "koningin" van de asteroïdengordel

De NASA lanceerde Dawn in september 2007 voor een missie van 467 miljoen dollar, om de twee grootste objecten te bestuderen in de belangrijkste asteroïdengordel tussen Mars en Jupiter: de grote protoplaneet Vesta met een doormeter van 530 kilometer, en de "koningin" van de gordel, Ceres, die zo'n 950 kilometer groot is.

Dawn cirkelde rond Vesta van juli 2011 tot en met september 2012, en vertrok toen naar Ceres. De ruimtesonde bereikte Ceres in maart 2015, en werd zo de eerste ruimtesonde die ooit in een baan rond twee verschillende hemellichamen gecirkeld heeft, de aarde en de maan buiten beschouwing gelaten.

Over Vesta wisten de wetenschappers al een en ander, gebaseerd op de analyse van rotsen die lang geleden van de protoplaneet werden afgeslagen en die op aarde terechtgekomen zijn als meteorieten. De waarnemingen van Dawn bevestigden het vermoeden dat Vesta "bevroren is in de tijd", zei Russell. "Het werd al vroeg gevormd, koelde snel af, en sindsdien is het enkel een zeer solide lichaam dat toegetakeld wordt door inslagen."

Ceres was echter een raadsel, aangezien er geen meteorieten op aarde bekend zijn die geassocieerd worden met de dwergplaneet. En Dawn heeft nu ontdekt dat Ceres erg verschilt van zijn kleinere zus in de asteroïdengordel, zoals blijkt uit de zes nieuwe studies in Science.

Een vergelijking van de grootte van Vesta, Ceres en de kleine asteroïde 433 Eros die in 2001 bezocht werd door de ruimtesonde NEAR Shoemaker.

IJsvulkaan

De eenzame berg van Ceres, Ahuna Mons, in een gesimuleerd perspectief. Het hoogteverschil is vergroot met een factor twee. Ahuna Mons is 4 kilometer hoog en 17 kilometer lang. De illustratie is gemaakt aan de hand van versterkte kleurbeelden van Dawn, en is een combinatie van beelden die gemaakt zijn met blauwe, groene en infrarode spectrale filters.

De beelden zijn gemaakt toen Dawn dicht bij de dwergplaneet vloog, op 385 kilometer, in augustus 2016. De resolutie is 35 meter per pixel. (Illustratie: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA/PSI)

Zo verschilt het oppervlak van Ceres erg van dat van Vesta: het is veel complexer en diverser, en vertoont uitgebreide lineaire structuren, gelobde kenmerken die veroorzaakt zijn door stromend materiaal, en een vier kilometer hoge berg.

Die berg, Ahuna Mons, lijkt op de koepelvormige bergen die hier op aarde door vulkanisme gevormd worden, en een team van wetenschappers onder leiding van Ottaviano Ruesch van het Goddard Space Flight Center van de NASA, onderzocht of dat ook hier het geval zou kunnen zijn. Het team bestudeerde modellen voor de vorming van vulkanische koepels, 3-D kaarten en foto's van Dawn en analoge structuren elders in ons zonnestelsel, en kwam tot de conclusie dat de eenzame berg inderdaad waarschijnlijk een vulkaan is.

Het gaat meer bepaald om een "cryovulkaan", een koude vulkaan die een vloeistof uitbraakt bestaande uit vluchtige stoffen zoals water, en geen gesmolten rots zoals vulkanen op aarde. Wat de vulkaan uitstoot, weten de onderzoekers niet precies, maar ze denken dat het een mengeling is van chloorzouten en water.

Bovendien lijkt Ahuna Mons tamelijk jong te zijn, zeggen de onderzoekers. Uit analyses van het aantal kraters blijkt dat de berg in de laatste 200 miljoen jaar gevormd is, terwijl Ceres zelf, zoals de rest van het zonnestelstel, zo'n 4,56 miljard jaar geleden ontstaan is. "Dit is het enige voorbeeld dat we kennen van een cryovulkaan die mogelijk gevormd is door een zoutachtige mengeling van modder, en die gevormd is in het recente geologische verleden", zei Ruesch op de website van de NASA.

Een ander team heeft overigens nog andere koepelvormige structuren op Ceres ontdekt, die ook hun ontstaan lijken te danken aan cryovulkanisme.

De energie voor de geologische processen zoals het cryovulkanisme moet komen uit de interne hitte van de dwergplaneet zelf, voornamelijk de hitte die overblijft van de vorming van Ceres, lang geleden, met mogelijk een bijdrage van radioactief verval in het inwendige van de dwergplaneet. Ceres staat immers niet bloot aan "getijdenverhitting", het proces waarbij het innerlijk van een planeet verwrongen en verhit wordt door de sterke aantrekking van de zwaartekracht van een ander hemellichaam. Ceres komt immers nooit dicht genoeg bij een reuzenplaneet.

"Ceres is aan het afkoelen, maar is nog niet helemaal afgekoeld" zei hoofdonderzoeker Chris Russell.

Een vreemde korst

De kleine heldere krater Oxo heeft een doormeter van zo'n 10 kilometer. Het hoogteverschil is vergroot met een factor twee.

Blootliggend waterijs is zeldzaam op Ceres, maar de spectrometers van de ruimtesonde Dawn hebben waarschijnlijk waterijs ontdekt in de Oxo-krater.

De beelden zijn gemaakt toen Dawn dicht bij de dwergplaneet vloog, op 385 kilometer, in augustus 2016. De resolutie is 35 meter per pixel. (Illustratie: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA/PSI)

Voor de gegevens van Dawn over Ceres bekend waren, dachten de meeste astronomen dat de korst van de dwergplaneet voornamelijk uit waterijs bestond. Maar een van de studies in Science, gebaseerd op een gedetailleerde analyse van de vele kraters op Ceres, toont aan dat dat niet het geval is.

Waterijs is tamelijk zacht, zeker vergeleken met rotsen, en als het oppervlak van Ceres voornamelijk uit waterijs zou bestaan, zouden de kraters de neiging hebben van te "verflauwen" of te vervlakken binnen een relatief korte tijd, zo'n 10 tot 100 miljoen jaar, zeggen de onderzoekers. En hoewel er een zekere vervlakking plaatsgevonden heeft, is die minder sterk dan verwacht zou worden bij een oppervlak van waterijs. In de plaats daarvan bestaat de korst uit een vreemde mengeling van mogelijk 60 procent rots en 40 procent ijs. "Dit is iets dat we nog nooit eerder gezien hebben", zei projectleider Russell.

De rotsachtige materialen in de korst blijken te bestaan uit mineralen die klei vormen, en die phyllosilicaten genoemd worden. De phyllosilicaten bevatten veel magnesium en er zit ook ammonium in hun kristallen. De phyllosilicaten zijn verspreid over heel het oppervlak van Ceres, wat er op wijst dat het oppervlak veranderd is geweest door een proces dat over heel de dwergplaneet heeft plaatsgevonden en waar water bij betrokken was.

Kraters ten gevolge van een inslag zijn het meest voorkomende geologische fenomeen op Ceres en hun verschillende vormen helpen om het verhaal te vertellen van de geschiedenis van de dwergplaneet. Kraters die ruwweg veelhoekig zijn, die in plaats van rond dus afgegrensd worden door rechte lijnen, wijzen erop dat de korst van Ceres erg gebarsten is. Bovendien vertoont de bodem van verschillende kraters zichtbare breuklijnen. 

Overigens heeft het oppervlak van Ceres te weinig kraters en vooral te weinig grote kraters, zeggen de onderzoekers. Wetenschappers verwachtten dat er 10 tot 15 kraters met een doormeter van meer dan 400 kilometer zouden zijn, maar er is er geen enkele groter dan 280 kilometer. Een mogelijke verklaring kan zijn dat in het verleden er meer cryovulkanisme was, en dat de mengeling van zouten en water over het oppervlak is gestroomd en de grote kraters opgevuld heeft.

Een andere mogelijkheid is dat er toch meer vervlakking optreedt dat verwacht zou worden op basis van de samenstelling van het oppervlak, omdat de korst rust op materiaal met een geringe dichtheid zoals ijs of zouten.

Hoofdonderzoeker Chris Russell zei dan weer aan Space.com dat het materiaal waaruit de korst bestaat, de oorzaak kan zijn. "Het is een nieuw materiaal voor ons - iets dat, als je er echt hard op slaat, zal smelten en vloeien, maar je moet het niet opwarmen tot de temperatuur van lava. We hebben veel verschillende stukken waar het materiaal over het oppervlak is gestroomd, nadat het geraakt geweest is door een meteoriet of iets dergelijks."

"Op een of andere manier heeft Ceres de grootste littekens van inslagen genezen en oude, door kraters getekende oppervlakken hernieuwd", zo vatte Simone Marchi van het Southwest Research Institute in Colorado het samen. Marchi leidde dit deel van het onderzoek.  

Een deel van de talloze kraters op Ceres.

Een dunne atmosfeer

Een verrassende en fascinerende ontdekking wordt besproken in een studie onder leiding van Chris Russell zelf: mogelijk heeft Dawn ontdekt dat Ceres een zwakke, tijdelijke atmosfeer heeft.

De "gamma ray and neutron detector" (GRaND) van Dawn heeft gedurende een periode van zes dagen vastgesteld dat Ceres elektronen uit de zonnewind versneld heeft tot zeer hoge energie-niveaus. In theorie kan de interactie tussen de energierijke deeltjes uit de zonnewind en moleculen in de atmosfeer van Ceres die waarnemingen verklaren.

Een tijdelijke atmosfeer zou ook mooi aansluiten bij de waterdamp die het Herschel Space Observatory ontdekt heeft rond Ceres in 2012-2013. De elektronen die de GRaND-detector geobserveerd heeft, kunnen geproduceerd zijn door de zonnewind die botst op de watermoleculen die Herschel geobserveerd heeft, maar de onderzoekers bekijken ook nog alternatieve verklaringen. De sonde Dawn heeft geen apparatuur om rechtstreeks waterdamp te detecteren.

"We zijn zeer geprikkeld om deze en andere ontdekkingen over deze fascinerende wereld op te volgen", zo zei Russell op de website van de NASA.

Wat zit er onder het oppervlak?

Een voorstelling van hoe het binnenste van Ceres er uit zou kunnen zien; gebaseerd op  gegevens over het zwaartekrachtveld van de dwergplaneet, die verzameld zijn door de ruimtesonde Dawn. .

Op de tienduizenden foto's die Dawn al genomen heeft van Ceres, is het binnenste van de dwergplaneet uiteraard niet te zien. De onderzoekers beschikken echter over sterke gegevens om de innerlijke structuur van Ceres te onderzoeken: de bewegingen van de ruimtesonde Dawn zelf namelijk.

Aangezien de omloop van Dawn rond Ceres gedomineerd wordt door de zwaartekracht, kunnen de onderzoekers variaties in de zwaartekracht van Ceres meten door subtiele veranderingen in de beweging van de ruimtesonde op te volgen. Op basis van de gegevens van Dawn hebben de onderzoekers voor de eerste keer de variaties in de zwaartekracht van Ceres in kaart gebracht, in een nieuwe studie in het wetenschappelijk tijdschrift Nature

"De nieuwe gegevens laten veronderstellen dat Ceres een week binnenste heeft, en dat water en andere lichte materialen gedeeltelijk gescheiden zijn van de rotsen gedurende een fase van verhitting, vroeg in zijn geschiedenis", zei Ryan Park, de belangrijkste auteur van deze studie en het hoofd van de onderzoeksgroep dynamica van het zonnestelsel aan het Jet Propulsion Laboratory van de NASA.

Het zwaartekrachtveld van Ceres wordt gemeten door radiosignalen op te volgen die naar Dawn gestuurd worden, en dan opnieuw opgevangen op aarde door het Deep Space Network van de NASA. Op basis van die signalen kunnen de wetenschappers de snelheid van de ruimtesonde meten met een precisie van 0,1 millimeter per seconde, en vervolgens de details van het zwaartekrachtveld berekenen.

Ceres heeft een speciale eigenschap die "hydrostatisch equilibrium" genoemd wordt, en die bevestigd wordt in deze studie. Het betekent dat het innerlijk van Ceres week genoeg is om te maken dat haar vorm bepaald wordt door haar rotatie. De wetenschappers kwamen tot die conclusie door het zwaartekrachtveld van Ceres te vergelijken met haar vorm. Het feit dat Ceres over hydrostatische equilibrium beschikt, is een van de redenen waarom astronomen het hemellichaam in 2006 geklasseerd hebben als een dwergplaneet. Dat in tegenstelling met Vesta, dat niet rond is maar een onregelmatige vorm heeft, en dat binnenin helemaal uit vaste stof bestaat. Daarom wordt Vesta een protoplaneet of een reuzenasteroïde genoemd.

Uit de gegevens blijkt voorts dat Ceres "gedifferentieerd" is, wat betekent dat de dwergplaneet lagen heeft met een verschillende samenstelling op verschillende diepten, waarbij de meest compacte laag in de kern ligt. Ceres is bovendien een veel lagere densiteit dan de aarde, de maan, de reuzenasteroïde Vesta en andere rotsachtige objecten in ons zonnestelsel. "We hebben ontdekt dat de verdelingen tussen de verschillende lagen minder geprononceerd zijn in Ceres dan in de maan en andere planeten van ons zonnestelsel", zo zei Park op de website van de NASA. "De aarde, met haar kern van metaal, haar half vloeibare mantel en haar korst, heeft een veel duidelijker afgelijnde structuur dan Ceres."

De structuur van de innerlijke densiteit biedt de wetenschappers ook informatie over welke interne processen er plaatsgevonden kunnen hebben in de vroege geschiedenis van Ceres. Door deze nieuwe informatie te combineren met eerdere gegevens over de samenstelling van het oppervlak kunnen ze die geschiedenis recontrueren: onder het oppervlak moet water in die tijd vloeibaar geweest zijn, maar het innerlijk isi nooit zo warm geworden dat sillicaten, - rotsen - gesmolten zijn en er een metaalachtige kern gevormd wordt. 

"We weten uit eerdere studies dat er interactie geweest moet zijn tussen water en rotsen binnenin Ceres", zei Carol Raymond, mede-auteur van de studie en een belangrijk onderzoeker aan het Dawn-project. "dat, in combinatie met de nieuw densiteits-structuur, vertelt ons dat Ceres een complexe thermische geschiedenis achter de rug heeft."

Nog ontdekkingen te verwachten

In de toekomst zal de ruimtesonde Dawn de onderzoekers nog toelaten om meer te weten te komen en te begrijpen over Ceres, nu de NASA de missie van de ruimtesonde met twee jaar heeft verlengd.

De laatste acht maanden heeft Dawn Ceres bestudeerd vanop een hoogte van slechts 385 kilometer, sinds vrijdag wordt de ruimtesonde in een hogere baan gebracht, zo'n 1.460 kilometer boven het oppervlak. Dat moet de sonde toelaten om brandstof te besparen en bovendien willen de onderzoekers een aantal zaken bekijken die van hogerop onderzocht kunnen worden.

De onderzoekers willen vooral weten hoe vaak materiaal vanuit het binnenste van Ceres aan het oppervlak geraakt, om meer te weten te komen over de evolutie die Ceres heeft doorgemaakt..