TITAN ENcElAdUS RINGSYSTEM DIONE HYPERION IAPETUS
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Cassini-Huygens Mission zu Saturn & Titan Ringsystem Hyperion Dione Titan Enceladus Ringe, Pan & Rhea Iapetus Phoebe Mimas Cassini-Huygens Mission zu Saturn & Titan Die Mission Cassini Experimente Huygens Am 15. Oktober 1997 startete in Cape Canaveral das bisher umfangreichste und ehrgeizigste Projekt zur Erforschung des äußeren Sonnensystems: Die Sonde CassiniHuygens wurde auf ihre fast siebenjährige Reise zum Planeten Saturn gebracht. Mithilfe der Schwerkraft des Mondes Titan wird die Umlaufbahn von Cassini ständig variiert. Das ermöglicht die Untersuchung des Planeten, seines Magnetfelds, der Staubteilchen in der Umgebung und der Monde von allen Seiten und unter verschiedenenWinkeln und Sonnenständen. Durch die lange Missionsdauer werden auch jahreszeitliche Veränderungen in der Saturnatmosphäre beobachtet. Eines der spannendsten Experimente war der zweieinhalbstündige Flug der Messkapsel Huygens durch die Atmosphäre des Titan und die anschließende Landung auf der Eisoberfläche des Mondes. An Bord des Orbiters befinden sich zwölf Experimente: Ein Mechanismus sprengte Huygens am 24. Dezember 2004 von Cassini ab. Huygens begann einen dreiwöchigen »ballistischen«, das heißt von keinem Antriebssystem beeinflussten Sinkflug in Richtung Titan. Als Huygens die ersten Ausläufer der dichten Atmosphäre erreichte, bremste die Gashülle des Mondes die Sonde ab, wobei sich der Schutzschild der Kapsel auf 1 500 Grad Celsius aufheizte. 180 Kilometer über der Oberfläche riss der erste zweieinhalb Meter große Fallschirm den Hitzeschild ab. Sofort danach öffnete sich ein zweiter Fallschirm mit über acht Metern Durchmesser, der Huygens’ Fall weiter abbremste. Die Sonde sammelte und analysierte erste Proben der Atmosphäre und begann mit Aufnahmen. In 125 Kilometern Höhe löste sich der zweite Fallschirm. Ein dritter Fallschirm ließ die Sonde durch die Wolken nach unten schweben. Am 14. Januar 2005 um 12 Uhr 38 Mitteleuropäischer Zeit landete Huygens auf dem Boden des Titan. Die Messdaten und Fotos der Landestelle wurden zu Cassini und von dort zur Erde übertragen. Ein sensationeller Erfolg. An der Mission sind die NASA, die Europäische Weltraumorganisation ESA und die italienische Weltraumagentur ASI beteiligt. Benannt ist sie nach zwei Astronomen, die sich bereits im 17. Jahrhundert mit den Geheimnissen des Ringplaneten beschäftigten, Jean-Dominique Cassini und Christiaan Huygens. Die Mission besteht aus dem Cassini-Orbiter, der den zweitgrößten Planeten des Sonnensystems, seine Ringe und die zahlreichen Eismonde aus einer variablen Umlaufbahn beobachtet, so wie dem Atmosphären- und Landemodul Huygens, das in die Gashülle des Mondes Titan eindrang und auf dessen Oberfläche landete. Mit 6,7 Metern Höhe und vier Metern Breite ist Cassini-Huygens die bisher größte Planetensonde. Das Startgewicht betrug 5 712 kg, wovon allein auf Treibstoff 3 132 kg entfallen. Der Orbiter wiegt 2 125 kg, die Huygens-Sonde weitere 320 kg. Am 1. Juli 2004 schwenkte Cassini in einem gewagten Manöver, bei dem zweimal die Ringebene in einer 30 000 km großen Lücke durchflogen wurde, in eine Saturnumlaufbahn ein. Seitdem umkreist die Sonde als künstlicher Trabant den Saturn. Huygens landete am 14. Januar 2005 auf dem Titan. Wegen ihres großen Erfolgs wurde die ursprünglich bis 2008 geplante Mission bis 2010 verlängert. Saturn – der sechste Planet Entfernung von der Sonne Dauer eines Sonnenumlaufs Äquatordurchmesser Durchmesser Pol zu Pol Rotationsdauer Mittlere Dichte Erdmassen Erdvolumina Atmosphäre Oberflächentemperatur Kerntemperatur Bekannte Monde (2008) 1 430 000 000 km 29 Jahre 229 Tage 120 660 km 108 728 km 10 Stunden 47 Minuten 0,69 g/cm3 95 764 94 % Wasserstoff, 6 % Helium -139 °C (auf 1 bar Höhe) über 10 000 °C 60 Die Monde des Saturn Die Saturnmonde sind nach den Titanen, den Nachkommen der Gaia (Mutter Erde) und des Uranos (Himmel) in der griechischen Mythologie benannt. Zu ihren Söhnen zählen Mimas, Hyperion, Iapetus und Enceladus, zu den Töchtern unter anderen Tethys, Dione, Rhea und Phoebe. Neben den neun mehr als 200 Kilometer großen Monden umkreisen viele kleinere Trabanten den Saturn. Die aktuelle Anzahl von 60 Monden kann sich jederzeit durch weitere Entdeckungen vergrößern. Die Namen der äußeren »Nebenmonde« sind der germanischen und keltischen Mythologie sowie den Legenden der Inuit entnommen. Durchmesser Umlaufzeit Mittlere Entfernung in Tagen vom Saturnmittelpunkt Mimas 369 km 0,942 185 600 km Enceladus 504 km 1,370 238 100 km Tethys 1 072 km 1,888 294 660 km Dione 1 124 km 2,737 377 400 km Rhea 1 528 km 4,518 527 100 km Titan 5 150 km 15,945 1 221 900 km Hyperion 260 km 21,277 1 464 100 km Iapetus 1 468 km 79,330 3 560 800 km Phoebe 120 km 550,000 12 944 300 km Entdecker Herschel (1789) Herschel (1789) Cassini (1684) Cassini (1684) Cassini (1672) Huygens (1655) Bond/Lassell (1848) Cassini (1671) Pickering (1898) • • • • • • • • • • • • CAPS (Cassini Plasma Spectrometer) – Saturnmagnetfeld-Plasma. CDA (Cosmic Dust Analyzer) – Analyse der Eis- und Staubpartikel. CIRS (Composite Infrared Spectrometer) – Temperatur und Zusammensetzung von Ober- flächen, Atmosphären und Ringen. INMS (Ion and Neutral Mass Spectrometer) – Zusammensetzung von neutralen und gela- denen Partikeln in der Magnetosphäre. ISS (Imaging Science Subsystem) – Weitwinkel- und Telebilder. MAG (Dual Technique Magnetometer) – Saturnmagnetfeld und Wechselwirkung mit Son- nenwind, Monden und Ringen. MIMI (Magnetospheric Imaging Instrument) – Abbildung des Saturn-Magnetfelds. RADAR (Cassini Radar) – Radarbilder und Höhenmessungen am Titan. RPWS (Radio and Plasma Wave Science) – elektrische und magnetische Felder in Saturns Umgebung. RSS (Radio Science Subsystem) – Atmosphäre, Ringe und Gravitationsfelder. UVIS (Ultraviolet Imaging Spectrograph) – Zusammensetzung, Fotochemie und Tempera- turen der Saturn- und Titanatmosphäre. VIMS (Visible and Infrared Mapping Spectrometer) – Messungen der Oberflächenzusam- mensetzung. Der Saturn Ringsystem Titan Saturn ist der am weitesten entfernte, mit bloßem Auge beobachtbare Planet. Er umkreist die Sonne in einer Distanz von 1,4 Milliarden Kilometern. Dafür benötigt der zweitgrößte Planet des Sonnensystems fast 30 Jahre. Die Rotationsachse des Planeten hat eine Neigung von fast 27 Grad, was auf dem Saturn, seinen Ringen und den zurzeit bekannten 60 Monden zu ausgeprägten Jahreszeiten führt. Die Ringe des Saturn gehören zu den markantesten Erscheinungen unseres Sonnensystems. Ihr äußerer Durchmesser beträgt über 480 000 Kilometer – das ist mehr als die Entfernung zwischen Erde und Mond. Der Saturnmond Titan ist mit 5 150 Kilometern Durchmesser nach dem Jupitermond Ganymed der zweitgrößte Trabant im Sonnensystem. Wie der Jupiter rotiert auch der Saturn sehr schnell um seine Achse, ein Tag dauert nur zehn Stunden und 47 Minuten. Dies führt dazu, dass der Planet infolge der Zentrifugalkräfte um etwa ein Zehntel abgeplattet ist; am Äquator beträgt der Radius 60 330 Kilometer. Bereits sechseinhalbtausend Kilometer über der Wolkendecke beginnt in der Äquatorebene der innerste von mehreren Ringen des Saturn. Die Ringe sind von außen nach innen mit A, B, C und D benannt und werden durch zahlreiche Lücken unterschiedlichster Breite voneinander getrennt. Außerhalb des A-Rings befinden sich die schmalen F- und G-Ringe. Jenseits des G-Rings, etwa auf Höhe der Bahn des Mondes Enceladus, folgt der E-Ring. Milliarden wirbelnder Eis- und Gesteinspartikel umkreisen den Planeten mit großer Geschwindigkeit, wobei sich Wellen, Zusammenballungen und andere Formen bilden. Noch wissen die Wissenschaftler weder das Alter der Ringe noch die Ursache ihrer Entstehung, aber Cassini lieferte zumindest Teile des Puzzles. Besonders interessant ist der Titan, weil seine Eisoberfläche unter einer dichten, diffusen, bräunlich-orangen Gashülle verborgen ist. Die Atmosphäre des Titan besteht zu etwa 95 Prozent aus Stickstoff, dazu kommen Spuren von Methan und Ethan. Damit ähnelt sie der Atmosphäre der Erde zu der Zeit, als diese sich vor drei bis vier Milliarden Jahren durch die Evolution des Lebens zu verändern begann. Die Atmosphäre des Titan reicht fast 600 Kilometer ins All, der Gasdruck ist anderthalb mal so hoch wie auf der Erde. Wegen der Existenz organischer Moleküle, also Kohlenwasserstoff-Verbindungen, ist die Titanatmosphäre ein spannendes Labor, um chemische Prozesse zu studieren, wie sie vielleicht vor drei bis vier Milliarden Jahren auf der Erde abliefen. Wegen der niederen Temperaturen ist es allerdings unwahrscheinlich, dass sich auf Titan je Leben hätte entwickeln können. Unter der Eiskruste des Mondes könnte eine Schicht flüssigen Wassers existieren. Die Ringe liegen wie die größten der insgesamt 60 bekannten Monde in der Äquatorebene des Saturn, und ihre Teilchen bewegen sich auf fast idealen Kreisbahnen um den Zentralplaneten. Kleine Monde innerhalb des Ringsystems kontrollieren mit ihrer Schwerkraft die Bewegungen der Ringteilchen und Lücken. Die sichtbare Wolkenhülle des Planeten besteht hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium. In der Saturnatmosphäre wurden die stärksten Stürme des Sonnensystems registriert. Die Winde wehen mit bis zu 1 600 Kilometern pro Stunde von West nach Ost. In den obersten Schichten der Atmosphäre beträgt die Temperatur etwa minus 160 °C; der Saturn empfängt nur etwa ein Hundertstel der Sonnenenergie, die auf der Erde ankommt. Gemessen am Radius des Saturnäquators von 60 330 km beginnt das Ringsystem mit dem sehr schwachen D-Ring bereits 6 500 km über der Wolkendecke. Der schmale G-Ring befindet sich 170 000 km vom Saturn entfernt: Die sechs Hauptringe dehnen sich somit über mehr als 100 000 km aus. Trotz dieser enormen Breite sind die Ringe extrem dünn, lediglich 50 bis 100 Meter dick. Die Gesamtmasse der Hauptringe A bis C entspricht etwa der Masse des 400 km großen Mondes Mimas. In tieferen Schichten vermutet man, dass Helium aus dem Gasgemisch ausregnet. Dabei wird Wärme frei, was erklären könnte, warum der Saturn mehr Energie abstrahlt, als er von der Sonne empfängt. Etwa 30 000 Kilometer unterhalb der obersten Wolkenschicht gehen die Gase infolge des hohen Drucks in einen flüssigen Aggregatszustand mit metallischen Eigenschaften über. Dadurch wird ein Magnetfeld erzeugt, das den Planeten umgibt. Die Durchmesser der Ringteilchen umfassen mehrere Größenordnungen, von Zentimetern bis zu einigen zehn Metern, neben Anteilen von Staub. Der E-Ring wird vermutlich aus Eispartikeln gespeist, die der Mond Enceladus ausstößt. Entfernung und Breite der Saturnringe D 66 970 km 7 540 km C 74 510 km 17 490 km B 92 000 km 25 580 km A 122 170 km 14 610 km F 140 180 km 50 km G 170 180 km 500 bis mehrere 1 000 km E 181 000 km 302 000 km Die Entfernung bezieht sich auf die Strecke vom Saturnmittelpunkt bis zum inneren Rand des jeweiligen Rings. Im Innersten befindet sich ein Stein-Eisen-Kern, der etwas größer als die Erde sein dürfte. Der Druck beträgt hier 18 Millionen bar und die Temperaturen liegen bei 13 000 °C – das ist doppelt so heiß wie auf der Sonnenoberfläche. Nach dem Messflug durch die Titanatmosphäre landete Huygens in einem Tal, das an eine hügelige Region angrenzt. Vor der Landung fotografierte die Sonde kilometerlange verzweigte Rinnen, die wohl durch den Abfluss von Methan- oder Ethanregen entstanden sind – auf dem Mond könnte es einen Flüssigkeitskreislauf mit Methan- oder Ethanregen geben. Cassinis Radar entdeckte auch große Seen, die mit Kohlenwasserstoffen gefüllt zu sein scheinen. Die Erosionskraft der Titanstürme hat die Bergkämme aus Eis zu schroffen Kanten geformt. Entlang des Äquators gibt es ausgedehnte Dünenfelder. Am Landeplatz liegen in einem ausgetrockneten Flussbett von Erosionsvorgängen gerundete Gerölle verteilt; die Temperatur beträgt -180 °C. Es handelt sich um Wassereisbrocken und Kiesel aus Kohlenwasserstoffen. »Klassische« Eismonde Enceladus Phoebe und Hyperion Kleine Monde Links Mit Durchmessern von 400 bis 1 500 Kilometern gelten Rhea, Iapetus, Dione, Tethys, Enceladus und Mimas als typische Eismonde des äußeren Sonnensystems. Von dem mit 504 km Durchmesser relativ kleinen Enceladus wurde schon lange angenommen, dass er noch heute geologisch aktiv ist und die aus dem Innern ins All geschleuderten Teilchen die Quelle eines der Saturnringe ist. Die beiden kleinsten Monde der neun klassischen Saturnsatelliten, Phoebe und Hyperion, sind unregelmäßig geformt. Die Oberflächen der beiden Körper bestehen aus Wassereis, in das eine Vielzahl leichtflüchtiger Bestandteile wie gasförmiges Kohlendioxid eingebunden ist. Saturn hat von allen Planeten die umfangreichste Ansammlung an Satelliten. Sie umkreisen den Gasplaneten in Entfernungen bis zu zwölf Millionen Kilometern. Gegenwärtig sind 60 Monde bekannt, die meisten sind jedoch nur wenige zehn oder sogar nur ein oder zwei Kilometer groß. Cassini bei JPL http://saturn.jpl.nasa.gov Cassini-Huygens bei ESA http://www.esa.int/SPECIALS/Cassini-Huygens Cassini beim DLR http://www.dlr.de/saturn Im Gegensatz zu seinen inneren Nachbarn bewegt sich Phoebe retrograd, also (mit Blick auf den Nordpol) im Uhrzeigersinn, um den Saturn. Auch ist seine Bahn gegenüber Saturns Äquatorebene stark geneigt. Der Satellit könnte deshalb außerhalb des Saturnsystems, in der Kometenregion jenseits des Neptun entstanden sein. Phoebe zeigt – eine Überraschung – die vielfältigste Oberflächenzusammensetzung von allen bisher beobachteten Körpern im äußeren Sonnensystem. Eine wichtige Rolle spielen die kleinen Monde offensichtlich für die Entstehung der Ringe – vieles deutet darauf hin, dass sie aus dem Material zerstörter Monde bestehen. Aber einige der winzigen Monde, wie Pan, Atlas, Prometheus oder Pandora, halten durch ihre Schwerkraft die Ringe auch zusammen bzw. räumen ihre Bahn von kleinen Ringeteilchen frei und verursachen Lücken in den Ringen. Sie haben eine von Einschlagskratern übersäte, zum Teil über vier Milliarden Jahre alte Oberfläche. Mimas zeigt auf einer Seite einen riesigen Krater, das Ergebnis eines Einschlags, der den Mond fast in zwei Teile zerriss. Tethys wird von einem Grabenbruch namens Ithaca Chasma geprägt. Auf Dione fällt ein Muster heller, sehr feiner Linien, die »wispy streaks«, aus blankem Wassereis auf. Auf Rhea wurde ein heller Strahlenkrater identifiziert, der höchstens hundert Millionen Jahre alt ist. Der Mond Iapetus besitzt zwei auffallend unterschiedliche Hemisphären. Das Eis der in Bewegungsrichtung liegenden Hälfte ist von einem fast schwarzen Material bedeckt, während die entgegengesetzte Hemisphäre blankes Eis aufweist. Entlang seines Äquators spannt sich ein bis zu 20 km hoher Bergrücken um den Mond. Wegen seiner noch heute andauernden geologischen Aktivität wird Enceladus eine Sonderstellung eingeräumt. Die Oberfläche von Enceladus reflektiert fast 100 Prozent des Sonnenlichts, mehr als die irgendeines anderen bekannten Himmelskörpers. Gleichzeitig ist es auf der Oberfläche mit -210 °C auch tagsüber extrem kalt. Während des Vorbeiflugs an Enceladus im November 2005 beobachtete man im Gegenlicht feine Strahlen von Partikeln, die vom Südpol ausgehen und sich weit ins All verfolgen lassen. Diese Eisoder »Kryovulkane« schleudern Wasser ähnlich Geysiren fast 500 Kilometer in die Höhe. Eigentlich ist es in dieser Entfernung zur Sonne zu kalt, als dass ein Mond des Saturns – zumal, wenn er so klein ist wie Enceladus – Wasser unter seinem Eispanzer in flüssiger Form beherbergen könnte. Im Falle von Enceladus scheinen die auf den Körper einwirkenden Gezeitenkräfte, die in Wechselwirkung mit Saturn und den benachbarten Monden Mimas, Tethys und Dione stehen, die dafür erforderliche Wärme im Innern zu erzeugen. Hyperion ist der bisher größte bekannte unregelmäßig geformte Himmelskörper unseres Sonnensystems – und der einzige, der chaotisch rotiert, das heißt seine Rotationsachse schwankt unvorhersehbar. Neben unzähligen Kratern besitzt Hyperion eine extrem geringe Dichte, die auf eine Porosität von 40 % schließen lässt. Der Körper hat demnach eine schwammähnliche Struktur. Der 116 Kilometer große Epimetheus teilt seine Umlaufbahn um den Saturn mit dem Saturnmond Janus, dessen Durchmesser 181 Kilometer beträgt. Die beiden Monde tanzen eine Art planetaren Tango, da sie sich in nahezu identischen Umlaufbahnen um Saturn befinden und alle vier Jahre ihre Bahnen wechseln, ohne zusammenzustoßen. Beide Monde haben Dichten, die erheblich niedriger sind als die Dichte von festem Eis, wodurch die Vermutung nahe liegt, dass sie vielleicht aus Trümmern bestehen, die durch Gravitation nur lose zusammengehalten werden. Impressum Die Mission Cassini-Huygens ist ein gemeinsames Projekt der NASA, der europäischen Weltraumorganisation ESA und der Italienischen Weltraumagentur. Das Jet Propulsion Laboratory, eine Einrichtung des California Institute of Technology in Pasadena (Kalifornien), leitet und führt die Mission für die NASA durch. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist mit mehreren Wissenschaftlern an der Mission beteiligt. Die Raumfahrt-Agentur des DLR unterstützt die Mission durch ihre Mitgliedschaft in der ESA und fördert die an der Mission beteiligten Wissenschaftler an deutschen Universitäten und der Max-Planck-Gesellschaft. Bildrechte: ISS: VIMS: Radar: Huygens: © NASA/JPL/Space Science Institute © NASA/JPL/University of Arizona (Titan) © NASA/JPL/USGS (Titan) © ESA Herausgeber: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Regional Planetary Image Facility (RPIF) DLR-Institut für Planetenforschung, Rutherfordstraße 2, D-12489 Berlin-Adlershof http://www.dlr.de/rpif – E-Mail: [email protected] Gestaltung: Susanne Pieth, Ulrich Köhler, Ralf Jaumann (2008)
