Diepvriesdwerg is springlevend

Donker, bevroren en dor – astronomen verwachtten niet veel van Pluto, maar foto’s van de sonde New Horizons schetsen een ander beeld. Afzettingen van organisch materiaal en scheuren in het ijs duiden erop dat er een zee onder de korst schuilgaat. Misschien gedijt het leven op de ijskoude rand van het zonnestelsel.

Donker, bevroren en dor – astronomen verwachtten niet veel van Pluto, maar foto’s van de sonde New Horizons schetsen een ander beeld. Afzettingen van organisch materiaal en scheuren in het ijs duiden erop dat er een zee onder de korst schuilgaat. Misschien gedijt het leven op de ijskoude rand van het zonnestelsel.

SwRI/JHUAPL/NASA

De spanning was te snijden. Op 14 juli 2015 om 9.00 uur wachtte het hoofd van de New Horizons-missie, Alan Stern, in de controlekamer van de Johns Hopkins University in Maryland met 2000 genodigden.

Na negen jaar reizen zou de sonde New Horizons tijdens een precisiemanoeuvre langs Pluto scheren, 5 miljard kilometer van de aarde. En met een snelheid van 52.000 km/h kan een botsing met een stofje 20 jaar werk in één oogwenk tenietdoen.

Toen kwamen de eerste signalen van de satelliet. Een paar seconden later begonnen grote computers die te ontcijferen, en een voor een meldden de controleurs vanachter hun scherm dat de zeven wetenschappelijke instrumenten perfect hadden gewerkt.

Het gejubel barstte los.

Het gejuich barstte los in de regelkamer van de Johns Hopkins University toen de sonde New Horizons in 2015 de eerste signalen van Pluto opstuurde. Pas nu hebben de onderzoekers alle foto’s verwerkt.

© Bill Ingalls/NASA

Maar als Stern en zijn team hadden geweten welke schat aan informatie de New Horizons zou kunnen verzamelen tijdens zijn 24 uur durende vlucht, zou het dak er waarschijnlijk af zijn gevlogen.

In de 16 maanden daarna druppelde 50 gigabit aan gegevens tergend langzaam het controlecentrum binnen met 1 kilobit per seconde vanwege de grote afstand en de beperkte stroom van de sonde.

Pluto vanaf de achterkant te zien

De eerste close-ups van Pluto’s zonnige voorkant, gezien vanaf de New Horizons, gaven de wetenschappers nieuwe kennis over de verre dwergplaneet dankzij de hoge resolutie, waarbij details tot op 75 meter zichtbaar waren.

Vóór het bezoek van de sonde wisten astronomen alleen dat Pluto een gedeeltelijk rood oppervlak en ijskappen op de polen heeft. Maar op de foto’s staan ook bergketens, ijsvulkanen en de enorme inslagkrater Sputnik Planitia met gletsjers van stikstofijs.

Nu hebben de onderzoekers eindelijk de foto’s van Pluto’s achterkant verwerkt, die de sonde van een grotere afstand nam in de dagen voorafgaand aan de flyby. De resolutie daarvan is lager, maar met details tot op 2 kilometer zijn ze toch nog 250 keer zo scherp als de foto’s van de ruimtetelescoop Hubble.

©

Pluto laat zich van alle kanten zien

Met de nieuwe foto’s kunnen we de dwergplaneet helemaal in het rond bekijken – en het is er veel levendiger dan gedacht.

Voor het eerst kunnen we Pluto in zijn geheel zien, en wat blijkt? Pluto is niet de dode ijsklomp die astronomen hadden verwacht, maar een geologisch actieve planeet. En onder de dikke ijskorst gaat een zee schuil die leven kan bevatten.

Dwergplaneet is kleiner dan de maan

Tot 100 jaar geleden wist niemand van Pluto’s bestaan af.

Rond 1900 stelde de Amerikaanse astronoom Percival Lowell vast dat een onbekende planeet ver weg in het zonnestelsel de baan van Uranus en Neptunus rond de zon verstoorde.

Drie decennia later, in 1930, zag zijn landgenoot, de jonge astronoom Clyde Tombaugh, een stipje, dat binnen een paar dagen naar het sterrenbeeld Tweelingen toe trok. Hij had de voorspelde planeet ontdekt, die Pluto werd genoemd, naar de Romeinse god van het dodenrijk.

Aanvankelijk dachten astronomen dat Pluto een massa had als die van de aarde, en pas in 1978, toen de Amerikaanse astronoom James Christy de grote maan Charon ontdekte, kon de massa van Pluto worden vastgesteld op slechts ongeveer 0,2 procent van de massa van de aarde.

De exacte diameter van 2376 kilometer is pas bepaald na metingen van de New Horizons.

Al vloog de New Horizons in slechts 24 uur langs Pluto, de foto’s van de sonde geven de onderzoekers een geheel nieuwe kijk op de dwergplaneet.

© NASA

Pluto is dus kleiner dan de maan, en vanwege zijn bescheiden omvang en grote afstand wisten we nauwelijks iets van de dwerg – tot de New Horizons er op 12.500 kilometer afstand langs scheerde.

IJsbergen zijn 6 kilometer hoog

De wetenschappers vreesden dat ze op de eerste close-ups gewoon een dode rots zouden zien met inslagkraters uit de begintijd van het zonnestelsel. Maar ze zagen een hemellichaam waarbij geologische activiteit constant het oppervlak kneedt en ruige ijsbergen en kilometershoge, vlijmscherpe pieken van methaanijs heeft gecreëerd.

De oppervlaktetemperatuur van Pluto is -233 ºC, waardoor het waterijs op de bodem zo hard is als graniet en meer dan 6 kilometer hoge bergen kan vormen. Maar de bodem is op veel plaatsen bedekt met zachter ijs van stikstof, dat ook de atmosfeer domineert.

Pluto heeft kloven die dieper zijn dan de Grand Canyon, bergen die hoger zijn dan de Mount Everest en ijsvulkanen die de afgelopen paar miljoen jaar mogelijk vloeibaar water hebben uitgespuwd.

De foto’s laten ook duidelijke sporen zien van twee hevige botsingen die de dwergplaneet hebben geschapen en gevormd. De eerste vond ruim 4 miljard jaar geleden plaats, toen Pluto en zijn grote maan, Charon, ontstonden uit een botsing tussen twee ijslichamen.

Ruim 4 miljard jaar geleden botsten twee ijslichamen op elkaar en ontstonden Pluto en zijn grote maan Charon. De wolk van rots, ijs en gas veranderde in de vier kleine manen, terwijl Pluto’s ijskap door de hitte van de botsing smolt tot een enorme zee.

© Lotte Fredslund & NASA

1. Kometen waren bouwmateriaal voor Pluto en Charon

Twee ijslichamen botsten en vormden Pluto en zijn grote maan, Charon. De ijslichamen zijn mogelijk ontstaan uit botsingen van meer dan 1 miljard kometen. De atmosfeer van Pluto en de ijsvlakte Sputnik Planitia bevatten namelijk veel stikstof, wat overeenkomt met de inhoud van kometen.

© Lotte Fredslund & NASA

2. Kleine manen zijn gevormd na botsing

De botsing tussen de ijslichamen veroorzaakte een wolk van rots, ijs en gas, die Pluto’s vier kleine manen voortbracht: Styx, Nix, Kerberos en Hydra. Kerberos is verrassend donker en kan een overblijfsel zijn van het oorspronkelijke ijslichaam dat op Pluto knalde. Op de voorgrond is Charon te zien.

© SwRI/JHUAPL/NASA

3. Bodem van Pluto lag helemaal in zee

De botsing verhitte Pluto zozeer dat het ijs smolt en de dwergplaneet met een diepe zee bedekte. Toen de zeespiegel bevroor, verschenen er scheuren in de korst (pijlen), doordat het ijs uitzette. De donkere krater, Sputnik Planitia, werd gevormd door een latere komeetinslag.

Volgens de theorie tot nu toe was de dwergplaneet aanvankelijk bedekt met ijs, maar door de hitte van radioactief verval in de rotskern smolt het ijs van binnenuit en ontstond er een zee onder het ijs.

Als dat het geval was, zou de ijskap op het oppervlak krimpen en rimpelen als een oude, verschrompelde appel.

Na verloop van tijd zou het radioactief verval afnemen, en de warmte van de kern navenant. Daardoor zou de ijskorst weer dikker worden en uitzetten, waarna er grote scheuren zouden ontstaan.

De onderzoekers verwachtten daarom dat Pluto bedekt zou zijn met oude rimpels en nieuwe scheuren, maar de camera’s van de New Horizons zagen alleen scheuren. Dus nu steekt een nieuwe theorie de kop op.

24 uur duurde de vlucht van de New Horizons langs Pluto op 12.500 km afstand.

Toen de voorlopers van Pluto en Charon op elkaar knalden, kwam er zo veel hitte vrij dat de dwergplaneet werd bedekt door een diepe zee. Het oppervlak bevroor snel, waarna het ijs uitzette en barstte.

De theorie wordt ondersteund door een gigantische scheur die zowel aan de voor- als achterkant van pool naar pool loopt. De scheur is zo oud dat Pluto wel ontstaan moet zijn met een vloeibare zee, die bijna meteen bevroor. Als de theorie klopt, kan de oeroceaan leven hebben bevat.

Organische stoffen kleuren het water rood

De beelden van Pluto’s voorkant vertonen duidelijke sporen van roodachtig water, dat waarschijnlijk uit een zee onder de ijslaag is gespoten en boven het oppervlak is bevroren.

De rode kleur is een teken dat het water veel organisch materiaal bevatte. Laboratoriumexperimenten duiden erop dat de zonnewind (geladen deeltjes die worden uitgestoten door de atmosfeer van de zon) en kosmische straling (de straling van het heelal) eenvoudige stoffen hebben omgezet in complexe organische moleculen.

Nu heeft astronoom Dale Cruikshank van NASA’s Ames Research Center in Californië aangetoond dat er ammoniak in het roodachtige ijs zit, dus mogelijk zijn de bouwstenen van RNA en DNA ontstaan in de rode soep van de zee.

Volgens Cruikshank betekent de ontdekking niet per se dat er leven is opgekomen in de oerzee van Pluto, maar als het wonder is gebeurd, zouden micro-organismen kunnen overleven.

De theorie wordt bevestigd doordat nu ook op de achterkant van de dwerg een rode gordel van organische stoffen is aangetroffen. Die gordel loopt om de hele evenaar, die het meeste zonlicht ontvangt en waar het warmer is dan op de rest van Pluto.

‘Er moeten drie dingen aanwezig zijn voordat leven kan ontstaan: vloeibaar water, organisch materiaal en een energiebron. Nu hebben we de eerste twee op Pluto afgevinkt, en dat is een grote stap voorwaarts,’ zegt Alan Stern, hoofd van de New Horizons-missie.

De botsing tussen de voorlopers van Pluto en Charon heeft warmte-energie in de dwergplaneet gepompt, maar dat is ruim 4 miljard jaar geleden. En als er leven is ontstaan in de oerzee, is het onduidelijk of radioactief verval in de rotskern van Pluto voldoende energie vrijgeeft om dit nu nog te ondersteunen.

Daarom is de kans om levende micro-organismen ver weg in het zonnestelsel te vinden, waarschijnlijk groter in de binnenzee van Jupitermaan Europa en Saturnusmaan Enceladus. Hier pompen sterke getijdenkrachten van de enorme gasplaneten constant energie in de manen.

Pluto veranderd door stoot in het hart

De tweede grote botsing die Pluto vormde, vond nog geen 10 miljoen jaar geleden plaats toen een komeet met een diameter van 400 kilometer met ruim 7000 km/h op de dwergplaneet knalde.

Zo ontstond de 4 kilometer diepe inslagkrater Sputnik Planitia, die met zijn 797.000 vierkante kilometer groter is dan Frankrijk. De krater maakt deel uit van de enorme hartvormige ijsvlakte ten noorden van de evenaar.

Nu laten de nieuwe foto’s van de New Horizons zien dat er zich aan de andere kant van Pluto een grillig landschap bevindt dat door seismische golven van de komeetinslag aan flarden is gescheurd.

‘Er moeten drie dingen aanwezig zijn voordat leven kan ontstaan. Nu hebben we de eerste twee op Pluto afgevinkt.’ Alan Stern, hoofd van de New Horizons-missie

Soortgelijke verschijnselen zijn bekend van Mars en van de Jupitermaan Europa, maar vooral van Mercurius. Daar bevindt zich een grillig terrein, dat verder niet op de planeet voorkomt, precies aan de andere kant van de enorme inslagkrater Caloris Basin.

Volgens planeetonderzoekers is de ravage op Pluto’s achterkant alleen mogelijk als er een diepe zee van vloeibaar water onder de ijskorst bestaat. Dit denken ze doordat seismische golven verschillende sterktes hebben, afhankelijk van het materiaal waarin ze zich voortplanten.

De drukgolven bewegen langzamer door water dan door een rotskern, maar hun vernietigende kracht is het grootst als ze met een constante snelheid door het hele hemellichaam kunnen trekken.

Uit simulaties van astronoom Adeene Denton van Purdue University in de VS blijkt dat de kern voornamelijk bestaat uit het gesteente serpentijn, waar seismische golven langzamer doorheen bewegen dan door andere soorten gesteente.

Door de combinatie van het specifieke gesteente en het water in het binnenste van Pluto konden de drukgolven zoveel energie over de dwergplaneet sturen dat de bodem aan de achterkant aan flarden ging.

Nog geen 10 miljoen jaar geleden sloeg een komeet op Pluto in, waardoor een enorme inslagkrater ontstond. Nu tonen de nieuwe foto’s van de New Horizons een verscheurd landschap aan de andere kant van Pluto, waaruit blijkt dat de drukgolven door een zee zijn getrokken.

© Lotte Fredslund & NASA

1. Botsing stuurde drukgolven door Pluto

Een komeet met een diameter van 400 kilometer trof Pluto en creëerde de 4 kilometer diepe inslagkrater Sputnik Planitia. Hij heeft een oppervlakte van 797.000 vierkante kilometer en de bodem is diepgevroren waterijs, dat zo hard is als graniet. De inslag stuurde seismische golven door Pluto.

© Lotte Fredslund & NASA

2. Schok scheurde Pluto’s achterkant aan gort

De nieuwe foto’s van Pluto tonen een grillig terrein, diametraal tegenover de krater. Hier is de bodem verwoest door de drukgolven van de inslag. Dit is alleen mogelijk als de golven door een zee tussen de rotskern en de ijskorst trokken.

© James Keane

3. Drukgolven geven een kijkje onder het ijs

Op basis van de waarnemingen van de New Horizons hebben astronomen het inwendige van Pluto doorgerekend. De dwergplaneet bestaat uit een ijskorst van zeker 200 kilometer dik en daaronder een 150 kilometer diepe zee van vloeibaar water, die leven kan bevatten. De kern bestaat uit silicaten, vooral het gesteente serpentijn.

Op basis van de metingen van de diameter en massa van de dwerg hebben wetenschappers de interne structuur van Pluto gesimuleerd en zijn dichtheid berekend.

Daaruit blijkt dat de rotskern 70 procent uitmaakt van de massa, terwijl de rest vooral uit water bestaat. De kern is omgeven door een 150 kilometer diepe zee, met een ruim 200 kilometer dikke korst van waterijs erboven, die de bodem vormt.

Na de komeetinslag werd de inslagkrater gevuld met zacht, zwaar stikstofijs uit de atmosfeer en van gletsjers in de omliggende gebergten.

De zware klomp ijs veranderde de massaverdeling van Pluto. Door het gewicht van het stikstofijs in de krater begon de dwerg te kantelen, waardoor de getijdenas, waar Pluto en de grote maan Charon het sterkst aan elkaar trekken, nu dwars door het ijs in de Sputnik Planitia-krater loopt.

Mysterieuze ijspieken torenen omhoog

De foto’s van de New Horizons hebben onze kennis van Pluto radicaal veranderd, maar ook nieuwe vragen opgeworpen voor de wetenschappers.

Bij het analyseren van de eerste foto’s ontdekten ze enkele rotsen met kilometershoge, scherpe punten aan het oostelijke deel van de voorzijde van de dwerg.

Die pieken waren slechts een vreemd stipje op de kaart, totdat de achterkant van Pluto zichtbaar werd. Daar bleken ze een gordel te vormen die door de hooggelegen gebieden van de evenaar helemaal naar het westelijke deel van de voorkant loopt.

Missieleider Alan Stern noemde de vlijmscherpe pieken, die drie keer zo hoog zijn als het Empire State Building, het grootste mysterie op Pluto.

Als er ooit rovers of mensen zouden landen op de verre dwergplaneet, zou het een ware nachtmerrie zijn om het landschap met de enorme spitse rotsen te doorkruisen.

🎬 VIDEO: Vlieg met de sonde New Horizons over Pluto

Uit metingen van de New Horizons blijkt dat de pieken bestaan uit methaanijs, wat verband houdt met de atmosfeer van Pluto.

In het onderste deel van de atmosfeer zit veel stikstof, dat de diepe inslagkrater Sputnik Planitia heeft gevuld met stikstofijs. Hoger in de atmosfeer is er veel methaan, dat waarschijnlijk de gigantische pieken in de hooglanden heeft gevormd. Maar hoe die zijn ontstaan, is een mysterie.

Misschien zijn het overblijfselen van een ooit dikke laag methaan op de hoge plateaus die door zonlicht zijn geërodeerd. Of misschien is methaan uit de atmosfeer bevroren, net zoals waterdamp in de lucht kan bevriezen tot rijp. Eén ding is zeker: het heeft miljoenen jaren gekost om de pieken te vormen, en mogelijke klimaatveranderingen in de lange geschiedenis van Pluto kunnen een rol hebben gespeeld.

Satelliet gaat naar een baan om Pluto

Ondanks de stortvloed van resultaten is de verkenning van de verre dwergplaneet nog maar net begonnen.

De komende jaren zullen onderzoekers ongetwijfeld nieuwe ontdekkingen doen in de gegevens die de New Horizons naar de aarde heeft gestuurd.

De ruimtetelescoop James Webb, die dit jaar wordt gelanceerd, zal Pluto langer dan ooit tevoren bestuderen. De volgende stap is om een satelliet in een baan rond de dwergplaneet te sturen.

© NASA

En later dit jaar zal NASA’s nieuwe ruimtetelescoop James Webb worden gelanceerd, die Pluto lange tijd zal kunnen bestuderen – zij het met een lagere resolutie dan die van de New Horizons – en de resultaten kan vergelijken met waarnemingen van andere dwergplaneten in de Kuipergordel, zoals Ceres, Eris, Haumea en Makemake.

Maar planeetonderzoekers zijn nog lang niet klaar met de koning van de ijsdwergen.

Ze hopen met steun van NASA een satelliet te kunnen ontwerpen die in een baan om Pluto gaat draaien, hogeresolutiebeelden van de hele dwerg gaat maken en nog preciezere metingen zal verrichten van de stoffen op de bodem en in de atmosfeer.

De waarnemingen kunnen zich over jaren uitstrekken en dus veranderingen in de atmosfeer en het weer laten zien.

Als de satelliet er komt, wordt hij op zijn vroegst na 2030 gelanceerd. Daarna volgt een 15-jarige vlucht naar de uitzonderlijk actieve dwergplaneet in het ijskoude buitenste zonnestelsel, waar tegen alle verwachtingen in mogelijk leven kan bestaan.