Langzeitbelichtete Aufnahmen der Raumsonde Cassini haben gezeigt, dass von dem Saturnmond Titan ein schwaches Leuchten ausgeht. Dieser als Nachthimmelsleuchten auch von der Erde her bekannte Effekt resultiert aus einer Interaktion der Titanatmosphäre mit geladenen Teilchen.
Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL, CICLOPS.
(Bild: NASA, JPL-Caltech, Space Science Institute)
Das auf der Erde als Nachthimmelsleuchten bekannte atmosphärische Phänomen entsteht, wenn die in der Atmosphäre enthaltenen Atome und Moleküle durch die von der Sonne ausgehende ultraviolette Strahlung oder durch elektrisch geladene Partikel zum Leuchten angeregt werden. Den Cassini-Wissenschaftlern gelang bereits früher der Nachweis eines vergleichbaren Effektes in der Titanatmosphäre, als dieser größte und von einer dichten, mehrere hundert Kilometer hohen Atmosphäre umgebene Mond des Saturn direkt von der Sonne beschienen wurde. Im Jahr 2009 ergab sich schließlich eine Gelegenheit, um auch auf einen nicht von der Sonne beleuchteten Titan nach dem Nachthimmelsleuchten Ausschau zu halten.
(Bild: NASA, JPL, Space Science Institute)
“Es hat sich gezeigt, dass der Titan im Dunkeln leuchtet – wenn auch nur sehr schwach”, so Robert West vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena/Kalifornien, eines der Mitglieder des für die Bildauswertung der Saturnsonde Cassini verantwortlichen Cassini Imaging Science Teams. “Es ist ein wenig wie bei den Neonröhren einer Leuchtreklame, wo durch elektrische Energie erzeugte Elektronen mit den Neonatomen kollidieren und diese dabei zum Leuchten anregen. Wir erblicken hier Licht, welches durch die Zusammenstöße von geladenen Partikeln mit den Stickstoffatomen innerhalb der Titanatmosphäre emittiert wird.”
Für ihre Beobachtungen nutzten die Wissenschaftler einen Zeitraum, in dem der Titan durch den Saturnschatten wanderte und somit nicht direkt dem Sonnenlicht ausgesetzt war. Die Wissenschaftler erwarteten im Vorfeld ihrer Bildaufnahmen, welche über einen Zeitraum von 560 Sekunden belichtet wurden, ein schwaches Leuchten zu erkennen, welches aus einer Höhe von etwa 700 Kilometern ausgeht und das durch Kollisionen mit geladenen Teilchen aus dem Saturn-Magnetfeld erzeugt wird.
Tatsächlich war auf den gewonnenen Aufnahmen ein extrem schwaches Leuchten zu sehen. Zur Überraschung der Wissenschaftler hatte dieses Leuchten seinen Ursprung allerdings nicht nur in der erwarteten Höhe von 700 Kilometern über der Oberfläche. Vielmehr stammte es auch aus deutlich tiefer gelegenen Regionen mit einer Höhe von bis zu lediglich rund 300 Kilometern.
Das Nachthimmelsleuchten auf dem Titan stammt somit aus so tiefen Regionen, dass sich sein Ursprung nicht ausschließlich durch eine Interaktion mit geladenen Sonnenteilchen erklären lässt. Auch das Magnetfeld des Saturn kommt in solch geringen Höhen über der Titanoberfläche laut den an den an den Untersuchungen beteiligten Wissenschaftlern nicht mehr als Auslöser in Frage. Vielmehr, so die bisher besten Vermutungen, dürfte eine tief in die Atmosphäre eindringende kosmische Strahlung oder eine bisher nicht näher bestimmte chemische Reaktion in den tieferen Atmosphärenschichten der Auslöser für das “nächtliche Leuchten” des Titan sein.
“Das Ganze ist deshalb so faszinierend, weil wir so etwas noch nie zuvor beim Titan beobachtet haben”, so Bob West. “Es zeigt uns, dass wir noch immer nicht alles wissen, was es über den Titan zu lernen gibt.”
Für die Wissenschaft ist der Einfluss von geladenen Teilchen auf die Titanatmosphäre deshalb von besonderem Interesse, weil die dabei auftretenden Interaktionen zur Bildung von komplexen organischen Verbindungen innerhalb der Atmosphäre führen können. “Wir wollen verstehen, welche Prozesse die chemischen Reaktionen auslösen, durch die sich die Moleküle entwickeln, welche den dichten Dunstschleier aus organischen Molekülen in der Titanatmosphäre bilden”, so die Cassini-Projektwissenschaftlerin Linda Spilker vom JPL. “Entsprechende Untersuchungen können uns letztendlich dabei helfen, unser bisheriges Verständnis über die organische Chemie auf der jungen Erde zu verbessern.”
(Bild: NASA, JPL-Caltech, Space Science Institute)
Für die an der Cassini-Mission beteiligten Wissenschaftler ergibt sich bereits in wenigen Stunden die nächste Gelegenheit, um den 5.150 Kilometer durchmessenden Titan und dessen dichte Atmosphäre eingehender zu untersuchen. Am morgigen 13. November wird Cassini um 11:22 MEZ einen gesteuerten Vorbeiflug an dem Mond Titan absolvieren, welcher dabei in einer Höhe von 973 Kilometern mit einer Geschwindigkeit von 5,9 Kilometern pro Sekunde passiert werden wird (Raumfahrer.net berichtete). Während der Phase der dichtesten Annäherung an den Titan soll bei dieser Gelegenheit die Dichte von dessen obersten Atmosphärenschichten ermittelt werden.
Die Atmosphäre des Titan erhebt sich etwa zehnmal höher in den Weltraum als die irdische Atmosphäre. Selbst bei der am 13. November erreichten Überflughöhe wird die Raumsonde somit durch die Gaspartikel der Titanatmosphäre zwar minimal, aber doch deutlich messbar abgebremst werden. Diese Abbremsung macht sich unter anderem in den von Cassini ausgestrahlten Radiosignalen durch eine Dopplerverschiebung bemerkbar. Mit den zeitgleich erfolgenden Messungen durch das Ion and Neutral Mass Spectrometers (INMS), einem der 12 wissenschaftlichen Instrumenten an Bord von Cassini, soll die exakte Partikeldichte in der durchflogenen Region ermittelt werden.
Diese Messungen dienen nicht ausschließlich der Untersuchung der Dichte der Titanatmosphäre, sondern haben vielmehr auch einen praktischen und für den zukünftigen Betrieb der Raumsonde notwendigen Effekt. Diese bei jedem Titan-Vorbeiflug erfolgenden Abbremsungen der Raumsonde haben direkte Auswirkungen auf die Geschwindigkeit und den Kurs von Cassini. Durch die zu sammelnden Daten, so die Erwartungen der beteiligten Wissenschaftler und Ingenieure, ergeben sich Informationen über den zukünftigen Treibstoffverbrauch, welcher bei zukünftigen Kurskorrekturmanövern in Verbindung mit Vorbeiflügen an dem Titan erforderlich sein wird.
Die Mission Cassini-Huygens ist ein Gemeinschaftsprojekt der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA, der europäischen Weltraumagentur ESA und der italienischen Weltraumagentur ASI. Das Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena/Kalifornien, eine Abteilung des California Institute of Technology (Caltech), leitet die Mission im Auftrag des Direktorats für wissenschaftliche Missionen der NASA in Washington, DC. Nach dem derzeitigen Planungsstand soll Cassini den Saturn noch bis zum Jahr 2017 erkunden und am 15. September 2017 aufgrund des dann aufgebrauchten Treibstoffvorrates kontrolliert in der Atmosphäre des Ringplaneten zum Absturz gebracht werden.
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