Schon beim Anflug der US-Raumsonde New Horizons auf das Pluto-Charon-System im Juli 2015 ließ sich am Nordpol des Plutomonds Charon eine dunkle Polarkappe erkennen. Sie stellte sich als eine dünne Schicht rotbraunen Materials auf der sonst weitgehend farblosen Eiskruste des Trabanten heraus. Nun untersuchte ein Forscherteam um Will M. Grundy vom Lowell Observatory in Flagstaff, Arizona, genauer, wie diese Polkappe wohl zu Stande kam. Zu Beginn hatten die Forscher der Mission New Horizons vermutet, das dunkle Material könnte aus dem Inneren des Monds stammen und durch vulkanische Aktivitäten auf dessen Oberfläche gelangt sein.

Die Forscher um Grundy kommen nun zu einem anderen Schluss: Die dunkle Polkappe am Nordpol von Charon geht auf Methan und Stickstoff aus der Plutoatmosphäre zurück, die das Schwerefeld des Zwergplaneten verlassen. Sie schlagen sich an den kalten Polen seines Trabanten nieder, wenn diese im Dunkel der langen Polarnächte liegen. Geht dann durch die jahreszeitlichen Veränderungen (ein Plutojahr dauert 248 Erdjahre) nach rund 100 Jahren an einem der Pole die Sonne wieder auf, so verändert deren ultraviolette Strahlung die Ablagerungen aus Methan und Stickstoff. Dadurch bilden sich langkettige und komplexe organische Moleküle, die eine braune Färbung annehmen. Sie werden auch als Tholine bezeichnet.

Die Forscher werteten zudem Bilder der Südhemisphäre von Charon aus, auf der zurzeit Winter herrscht. Die Aufnahmen entstanden in Sonnenlicht, das Pluto reflektiert: Es hellt die Nachtseite von Charon geringfügig auf. Die Kameras von New Horizons waren ausreichend lichtempfindlich, so dass sich grobe Bilder der Nachtseite aufnehmen ließen. Auf ihnen ist auch am Südpol eine dunkle Polarkappe zu erkennen. Die Forscher führten des Weiteren Simulationen durch, bei denen sie das thermale Verhalten der Charonoberfläche während des jahreszeitlichen Zyklus modellierten. Wie diese Modelle bestätigen, wird Charon an den Polen so kalt, dass sich Methan und Stickstoff als eine Art Reif niederschlagen können. Außerdem reicht die Menge an ultravioletter Strahlung der Sonne in Plutoentfernung aus, um aus Stickstoff und Methan dunkle Tholine zu erzeugen.