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Autor: Ralph-Mirko Richter / 18. Oktober 2014, 19:00 Uhr

Saturnmond Hyperion ist elektrostatisch aufgeladen

Die Auswertungen der Daten der Raumsonde Cassini ergaben, dass diese am 26. September 2005 von einem Partikelstrahl aus hochenergetischen Elektronen getroffen wurde, welcher von dem Saturnmond Hyperion ausging. Verantwortlich für dieses Ereignis war eine elektrostatische Aufladung der Oberfläche dieses Saturnmondes.

Quelle: ESA, JPL, DLR
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NASA, JPL-Caltech

Bild vergrößernDiese Grafik zeigt den schematischen Aufbau des Saturn-Magnetfeldes. Die Struktur der Magnetosphäre des Saturn ist äußerst komplex, da diese sowohl mit dem ausgedehnten Ringsystem des Planeten als auch mit den größeren, inneren Saturnmonden interagiert.
(Bild: NASA, JPL-Caltech)
Nach einer Flugdauer von fast sieben Jahren und einer bis dahin zurückgelegten Distanz von über drei Milliarden Kilometern trat die Raumsonde Cassini am 1. Juli 2004 in eine Umlaufbahn um den Saturn, dem zweitgrößten Planeten innerhalb unseres Sonnensystems, ein. In den folgenden zehn Jahren hat die Raumsonde den Saturn bis zum heutigen Tag 210 mal umkreist. Neben der Atmosphäre des Planeten, dessen komplexen Magnetfeld und dem Ringsystem gilt das Interesse der an dieser Mission beteiligten Wissenschaftler auch der Untersuchung der 62 bisher bekannten Monde des Saturn.

Bei einem dieser Monde handelt es sich um den bereits am 16. September 1848 entdeckten Mond Hyperion. Mit Abmessungen von 360,2 x 266 x 205,4 Kilometern handelt es sich bei diesem Mond um einen für seine Größe auffällig unregelmäßig geformten Körper. Vermutlich handelt es sich bei diesem Mond um das Bruchstück eines größeren Ursprungskörpers, welcher in der Vergangenheit infolge einer 'kosmischen Katastrophe' zerbrochen ist. Mit einem Wert von 0,544 Gramm pro Kubikzentimeter weist Hyperion eine geringe mittlere Dichte auf. Da dieser Mond überwiegend aus Wassereis mit einem geringen Anteil an Silikaten besteht deutet dieser Wert darauf hin, dass der innere Aufbau von Hyperion extrem porös ist und zu mindestens 40 Prozent aus Hohlräumen bestehen muss.

Untersuchungen der Raumsonde Cassini

Detaillierte Untersuchungen dieses Mondes erfolgten erstmals am 26. September 2005, als Cassini Hyperion im Rahmen eines Vorbeifluges in einer Entfernung von lediglich 520 Kilometern passierte und diesen Mond dabei mit mehreren der von der Raumsonde mitgeführten 12 wissenschaftlichen Instrumenten eingehender untersuchte. Die bei dieser Gelegenheit angefertigten Aufnahmen zeigten zum Beispiel, dass Hyperions Oberfläche vollständig mit einer Vielzahl an lediglich zwei bis zehn Kilometern durchmessenden und verhältnismäßig tiefen, allerdings noch sehr gut erhaltenen Kratern übersät ist, was diesem Mond das einzigartige Aussehen eines Schwammes verleiht. Der größte dieser Krater verfügt über einen Durchmesser von etwa 120 Kilometern und ist rund zehn Kilometer tief.

NASA, JPL-Caltech, Space Science Institute

Bild vergrößernDiese Aufnahme des Saturnmondes Hyperion wurde am 26. September 2005 mit der Telekamera des ISS-Experiments der Raumsonde Cassini angefertigt. Aus einer Entfernung von 62.000 Kilometern wurde dabei noch während der Annäherungsphase an Hyperion eine Auflösung von 362 Metern pro Pixel erreicht.
(Bild: NASA, JPL-Caltech, Space Science Institute)
Dieses ungewöhnliche Aussehen - so die Ansicht der Wissenschaftler - könnte seinen Grund in der hohen Porosität des Mondes haben, denn bei der Erosion von Kratern auf atmosphärefreien Himmelskörpern spielt die Verschüttung unter dem bei späteren Einschlägen ausgeworfenem Material eine wichtige Rolle. Bei Einschlägen von Meteoriten und Asteroiden auf eine kompakte Oberfläche wird Material in die Höhe geschleudert, welches sich anschließend wieder in der Umgebung ablagert und umliegende, bereits zu früheren Zeitpunkten entstandene Impaktkrater überdeckt. Bei Einschlägen in poröses Material wird die Oberfläche jedoch lediglich 'zusammengedrückt', aber nur in einem geringen Umfang als Ejektamaterial in die Umgebung ausgeworfen.

Durch Messungen mit verschiedenen Spektrometern konnte im September 2005 zudem die chemische und mineralogische Zusammensetzung der Oberfläche von Hyperion ermittelt werden. Dabei stellte sich heraus, dass der größte Teil der Oberfläche dieses Mondes von einer Mischung aus Wassereis, Staub und gefrorenen Kohlendioxid überzogen ist. Viele Kraterböden sind zudem mit einer vermutlich bis zu mehrere Dutzend Meter dicken Schicht eines dunkelroten Materials bedeckt. Die Analysen führten zu dem Ergebnis, dass es sich hierbei um Kohlenwasserstoff-Verbindungen handelt.

Weitere Ergebnisse über den Mond Hyperion wurden erst kürzlich durch die erneute Auswertung dieser bereits älteren Datensätze gewonnen.

Elektrostatische Aufladung

Ebenfalls während des Vorbeifluges am 26. September 2005 konnte ein Elektronen-Massespektrometer (abgekürzt ELS) - eines der drei Einzelinstrumente, aus denen das Cassini Plasma Spectrometer (CAPS) besteht - etwa sechs Minuten vor der dichtesten Annäherung an Hyperion in einer Entfernung von 2.233 Kilometern zu dessen Oberfläche kurzzeitig einen deutlich erhöhten Strom energiereicher Elektronen nachweisen, welcher die Raumsonde traf. Ein Magnetometer stellte dabei fest, dass sich dieser Elektronenstrom - ausgehend von der Oberfläche Hyperions - entlang der Feldlinien des Saturn-Magnetfeldes bewegte. Zur gleichen Zeit registrierte ein drittes Instrument - das Radio and Plasma Wave Instrument (RPWS) - intensive Plasmawellen-Schwankungen, welche durch den Elektronenstrahl ausgelöst wurden. Ein weiteres Instrument - das Magnetospheric Imaging Instrument (MIMI) - ermittelte dagegen die Absorption von weiteren geladenen Teilchen durch Hyperion.

UCL Mullard Space Science Laboratory/ T. Nordheim, K. Eriksson, G. Jones; Hyperion image: NASA, JPL-Caltech, Space Science Institute

Bild vergrößernWährend des Vorbeifluges am 26. September 2005 war die Raumsonde Cassini kurzzeitig einem von der Oberfläche des Mondes Hyperion ausgehenden Elektronenstrom ausgesetzt. Dies war der erste bestätigte Nachweis eines solchen Ereignisses im Bereich des äußeren Sonnensystems. Vergleichbare Ereignisse dürften sich auch in der Umgebung von anderen Objekten des Sonnensystems abspielen. Ihr Verständnis wird somit bei der Planung und Durchführung zukünftiger Missionen zu Kometen, Asteroiden und Monden von nicht zu vernachlässigender Bedeutung sein.
(Bild: UCL Mullard Space Science Laboratory/ T. Nordheim, K. Eriksson, G. Jones; Hyperion image: NASA, JPL-Caltech, Space Science Institute)
Eine Erklärung für dieses Phänome lieferte jetzt ein von Tom Nordheim vom Mullard Space Science Laboratory (MSSL) des University College London geleitetes Wissenschaftler-Team. Der Schlüssel für das Verständnis der beobachteten Vorgänge liegt demzufolge in der Umlaufbahn des Mondes um den Saturn und dessen dabei erfolgende Interaktion mit dem Saturn-Magnetfeld.

Der Mond Hyperion umkreist den Saturn auf einer exzentrischen Bahn in Entfernungen zwischen 1,438 bis 1,489 Millionen Kilometern innerhalb von 21 Tagen, sechs Stunden und 43 Minuten. Diese elliptische Umlaufbahn hat zur Folge, dass dieser Mond zeitweise die Magnetosphäre des Saturn durchquert und zu diesen Zeitpunkten einem fortlaufenden Bombardement aus den dort 'gefangenen' geladenen Partikeln ausgesetzt ist. Sobald die Bahn dieses Mondes jedoch außerhalb der Magnetosphäre verläuft - die genauen Zeitpunkte sind abhängig von der Orbitalposition Hyperions und der Expansion beziehungsweise Kontraktion des Saturn-Magnetfeldes - erreichen dagegen Partikel der kosmischen Strahlung und dem von dem Zentralgestirn unseres Sonnensystems ausgehenden Sonnenwind die Oberfläche von Hyperion.

Das permanente Auftreffen dieser aus drei Quellen stammenden hochenergetischen Partikel ist dafür verantwortlich, dass die Oberfläche dieses Mondes elektrostatisch aufgeladenen wird.

Die Analyse der CAPS-ELS-Daten führte das Team um Tom Nordheim zu dem Schluss, dass zum Zeitpunkt des beobachteten Ereignisses auf der Oberfläche von Hyperion - relativ zu Cassini - ein starkes negatives Oberflächenpotential von minus 200 Volt vorherrschte. Als die Raumsonde Cassini am 26. September 2005 zufälligerweise auf der exakt für diese Messungen notwendigen Flugbahn an Hyperion vorbeiflog, entstand kurzzeitig eine magnetische Verbindung zwischen beiden Körpern. Dabei wurden geladene Teilchen von Hyperion zu der Raumsonde geleitet, wo diese dann von den Messinstrumenten erfasst wurden.

"Die große Potentialdifferenz zwischen der Mondoberfläche und der Raumsonde führte dazu, dass sich ein Strom von Elektronen in Richtung Cassini in Bewegung setzte", so Tom Nordheim. "Es war geradezu so, als ob Cassini von Hyperion einen 200-Volt-Stromschlag erhielt - und das obwohl sich die Raumsonde zu diesem Zeitpunkt mehr als 2.000 Kilometer von diesem Mond entfernt befand." Die Wissenschaftler vergleichen diesen Effekt mit der auf der Oberfläche eines aufgeblasenen Luftballons aufgebauten elektrostatischen Ladung, wenn dieser an Haaren oder einem Pullover gerieben wird.

Jasper Halekas und Greg Delory (U.C. Berkeley), Bill Farrell und Tim Stubbs (Goddard Space Flight Center)

Bild vergrößernDiese Grafik verdeutlicht die elektrostatische Aufladung der Mondoberfläche und elektrische Felder, welche durch Sonnenlicht und Sonnenwind hervorgerufen werden.
(Bild: Jasper Halekas und Greg Delory (U.C. Berkeley), Bill Farrell und Tim Stubbs (Goddard Space Flight Center))
Auf ähnliche Weise können auch im Weltraum befindliche Himmelskörper elektrostatisch aufgeladen werden, sobald diese dem von der Sonne ausgehenden UV-Licht oder auf sie einströmenden geladenen Partikeln ausgesetzt sind. Ein prominentes Beispiel hierfür ist der Mond der Erde.

Im Gegensatz zu unserem Heimatplaneten verfügt der Mond nicht über ein globales Magnetfeld, welches ihn vor der Strahlung des Weltalls schützt. Dadurch bedingt interagieren freie Elektronen im Sonnenwind mit dem auf der Mondoberfläche abgelagerten Mondstaub und laden diese Staubkörner dadurch auf. Im Rahmen der Apollo-Missionen stellte sich der Mondstaub dann auch als ziemlich lästig dar. Aufgrund seiner elektrostatischen Aufladung setzte er sich an Raumanzügen, Ausrüstung und Instrumenten fest. Die scharfkantigen Staubkörnchen drangen auch durch kleinste Öffnungen, zerkratzten die Visiere der Raumanzüge, verstopften Leitungen, schwärzten Oberflächen und machten Instrumentenanzeigen unlesbar.

Verschiedene Berechnungen und theoretische Modelle, welche sich auf den Asteroiden (433) Eros und einigen der größeren Saturnmonde bezogen, haben in der Vergangenheit zwar darauf hingedeutet, aber wissenschaftlich belastbare Belege für vergleichbare statische Aufladung auf anderen Objekten im Sonnensystem konnten bislang nicht gefunden werden. Die Analyse der Daten der Raumsonde Cassini zeigt jetzt allerdings, dass sich derartige Vorgänge offenbar tatsächlich selbst auf kleinen Himmelskörpern wie dem Mond Hyperion ereignen können. Die war selbst für die beteiligten Wissenschaftler überraschend, da dieser Mond aufgrund seiner geringen Größe und Masse bisher als ein 'primitives', inaktives Objekt galt, welches eigentlich nicht in der Lage sein sollte, mit der Magnetosphäre des Saturn auf eine derart stark ausgeprägte Weise zu interagieren.

NASA, JPL-Caltech, University of Arizona, Ames Research Institute, Space Science Institute

Bild vergrößernHyperion ist vollkommen von Impaktkratern übersät, an deren steilen Kraterwänden sich zahlreiche Hangrutschungen ereignet haben. Die Oberfläche dieses Mondes ist von einer dünnen Schicht aus Kohlenstoffverbindungen bedeckt. Stellenweise ist das abgerutschte Material am Boden der Krater als rötlich bis braunschwarz erscheinende Substanz angehäuft. Mit dem Visual and Infrared Mapping Spectrometer (VIMS) von Cassini kann die geochemische Zusammensetzung der Oberfläche genau analysiert werden. Das hier in Falschfarben dargestellte Ergebnis wurde auf ein Bild von Hyperion überlagert, welches bei dem gleichen Vorbeiflug Cassinis mit der ISS-Kamera aufgenommen wurde. An den blauen Stellen ist pures Wassereis aufgeschlossen, rot bedeutet Kohlendioxid-Eis ("Trockeneis"), Magenta eine Mischung aus Wasser- und Kohlendioxid-Eis; gelb deutet auf eine Mischung aus Kohlendioxid-Eis und weiteren Materialien hin.
(Bild: NASA, JPL-Caltech, University of Arizona, Ames Research Institute, Space Science Institute)
Vorsicht bei zukünftigen Missionen!

Glücklicherweise hatte der am 26. September 2005 erfolgte Vorfall keine Schäden an der Raumsonde Cassini verursacht. Trotzdem, so die an der Studie beteiligten Wissenschaftler, sollten zukünftige Raummissionen gewappnet sein. Zu diesem Zweck müssten die dabei zu verwendenden Hardware-Komponenten mit einem entsprechenden Schutz ausgestattet werden.

"Derartige Aufladungen der Oberfläche eines Himmelskörpers sind gegenwärtig noch nicht gut verstanden. Sie wurden zwar bereits auf dem Mond der Erde beobachtet - im Saturnsystem bietet sich uns jedoch die Möglichkeit, diese Phänomene unter vielen unterschiedlichen Ausgangsbedingungen zu untersuchen", so Geraint Jones vom MSSL, einer der Mitarbeiter des Teams.

Die hier kurz vorgestellten Forschungsergebnisse wurden von Tom Nordheim et al. unter dem Titel "Detection of a strongly negative surface potential at Saturn's moon Hyperion" am 16. Oktober 2014 in der Fachzeitschrift "Geophysical Research Letters" publiziert.

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 nahezu komplett aufgebrauchten Treibstoffvorrates kontrolliert in der Atmosphäre des Ringplaneten zum Absturz gebracht werden.

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