Am 3. Dezember 2011 begann die Raumsonde Cassini ihren 159. Orbit um den Planeten Saturn. Die Höhepunkte dieses 20 Tage dauernden Umlaufs bilden zwei nahe Vorbeiflüge an den Monden Dione und Titan, welche am 12. und 13. Dezember erfolgen werden.
Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: CICLOPS, JPL, Planetary Society.
(Bild: NASA, JPL-Caltech, Space Science Institute)
Bereits am 3. Dezember erreichte die Raumsonde Cassini um 04:13 MEZ auf ihrer elliptischen Umlaufbahn um den Saturn erneut die Apoapsis, den Punkt ihrer größten Entfernung zum Saturn. Zu diesem Zeitpunkt befand sich Cassini in einer Entfernung von rund 2,38 Millionen Kilometern zu der obersten Wolkenschicht des Saturn und begann damit zugleich ihren mittlerweile 159. Umlauf um den Ringplaneten. Die Raumsonde wird sich auch in den kommenden fünf Monaten weiterhin auf einer Orbitbahn bewegen, welche fast genau auf einer Ebene mit der Ringebene des Saturn sowie den Umlaufbahnen mehrerer größerer Saturnmonde verläuft.
(Bild: NASA, JPL-Caltech, Space Science Institute)
Diese äquatoriale Flugbahn der Raumsonde ermöglicht es den an der Mission beteiligten Wissenschaftlern unter anderem, die Kanten der Saturnringe abzubilden. Durch die Auswertung dieser Bilder ist es somit zum Beispiel möglich, deren vertikale Ausdehnung zu bestimmen. Zudem ist aus dieser Perspektive ein Blick auf die Wolkenschichten in der Saturnatmosphäre gegeben, welcher nur minimal durch das Ringsystem des Planeten oder einen von den Ringen auf den Saturn geworfenen Schatten beeinträchtigt ist. Außerdem ergibt sich bei dieser Bahn die Möglichkeit, sich im Rahmen eines einzigen Orbits gleich mehreren Saturnmonden zu nähern, deren Bahnen ebenfalls in der Äquatorebene liegen.
Wie bereits die vorherigen Umläufe wird auch der jetzt beginnende Orbit, er trägt die Bezeichnung “Rev 158”, von den an der Mission beteiligten Wissenschaftlern in erster Linie dazu genutzt werden, den Ringplaneten und den größten seiner 62 bisher bekannten Monde, den etwa 5.150 Kilometer durchmessenden Titan, mit verschiedenen Instrumenten zu untersuchen und aus unterschiedlichen Entfernungen mit der ISS-Kamera der Raumsonde abzubilden.
Für das aus einer Telekamera (NAC) und einer Weitwinkelkamera (WAC) bestehende ISS-Kameraexperiment, eines von insgesamt 12 wissenschaftlichen Instrumenten an Bord von Cassini, sind während des 20 Tage dauernden Orbits insgesamt 53 Beobachtungskampagnen vorgesehen. Ein großer Teil dieser Beobachtungen wird dabei erneut das gewaltige Sturmgebiet zum Ziel haben, welches sich seit dem Dezember 2010 über der nördliche Hemisphäre des Saturn ausdehnt (Raumfahrer.net berichtete). Den Höhepunkt des gegenwärtigen Orbits bilden allerdings zwei am 12. und 13. Dezember erfolgende dichte Vorbeiflüge an den Monden Dione und Titan.
(Bild: NASA, JPL-Caltech, Space Science Institute)
Die erste ISS-Kampagne begann bereits acht Stunden nach dem Beginn des neuen Umlaufs und hatte die nördliche Saturnhemisphäre und das dortige Sturmgebiet zum Ziel. Hierbei sollten durch die Kameraaufnahmen weitere Daten über die gegenwärtige Ausdehnung des Sturmgebietes und die dort vorherrschenden Windgeschwindigkeiten gesammelt werden. Bis zum 22. Dezember sind insgesamt 19 Beobachtungen der nördlichen Saturnhemisphäre vorgesehen.
Ebenfalls am 3. Dezember erfolgten sogenannte astrometrische Beobachtungen von mehreren kleineren Saturnmonden. Das wissenschaftliche Ziel der dabei angefertigten Aufnahmen der Monde Anthe, Pandora, Epimetheus, Calypso und Helene bestand darin, die bisher verfügbaren Daten über deren jeweilige Umlaufbahnen noch weiter zu verfeinern. Die entsprechenden Fotosequenzen wurden allerdings durchweg aus größeren Distanzen angefertigt, so dass im Rahmen dieser Beobachtungen keine Oberflächendetails der jeweiligen Monde aufgelöst werden konnten. Eine vergleichbare Kampagne ist für den 7. Dezember vorgesehen und wird die Monde Telesto, Prometheus, Epimetheus und Helene zum Ziel haben.
Für den 7., 9. und 10. Dezember sind zudem mehrere Beobachtungen des Titan vorgesehen. Dabei soll speziell das Wettergeschehen und die Struktur der oberen Atmosphärenschichten dieses Mondes untersucht werden. Die geplanten Fotoaufnahmen werden dabei aus Entfernungen zwischen 3,26 bis 2,01 Millionen Kilometern erfolgen.
Am 12. Dezember wird die Raumsonde schließlich um 03:00 Uhr MEZ die Periapsis, den Punkt der größten Annäherung an den Saturn, während ihres 159. Orbits erreichen. Zu diesem Zeitpunkt wird sich Cassini 135.190 Kilometer über der obersten Wolkenschicht des Saturn befinden.
Kurze Zeit später wird Cassini um 05:27 MEZ den Saturnmond Enceladus im Rahmen eines nicht gesteuerten Vorbeifluges mit einer Geschwindigkeit von 6,5 Kilometern pro Sekunde in einer Entfernung von 19.906 Kilometern passieren. Diese Gelegenheit soll genutzt werden, um mit der ISS-Kamera diverse Aufnahmen der Oberfläche dieses 504 Kilometer durchmessenden Mondes anzufertigen. Die ISS-Kamera soll während des Vorbeifluges zudem eingesetzt werden, um speziell die von der Südpolregion ausgehenden Fontänen aus Gas und feinen Wassereiskristallen abzubilden. Neben der Suche nach weiteren Plumes wollen die an der Mission beteiligten Wissenschaftler dabei auch eine eventuell veränderte Aktivität der bisher bekannten Auswurfzonen untersuchen.
(Bild: NASA, JPL-Caltech, Space Science Institute)
Anschließend wird sich das Augenmerk der verschiedenen wissenschaftlichen Instrumente der Raumsonde Cassini dem Mond Dione zuwenden, welcher um 10:39 MEZ im Rahmen eines gesteuerten Vorbeifluges mit einer Geschwindigkeit von 8,7 Kilometern pro Sekunde in einer Entfernung von lediglich 98,8 Kilometern passiert werden wird. Zur Vorbereitung dieses Vorbeifluges ist bereits für den 8. Dezember eine kurze Zündung der Triebwerke vorgesehen. Durch dieses Kurskorrekturmanöver wird die Flugbahn von Cassini korrigiert und auf den Rendezvouspunkt mit Dione ausgerichtet.
Die für den Dione-Vorbeiflug vorgesehenen Beobachtungen werden von dem Composite Infrared Spectrometer (CIRS), einem der Spektrometer an Bord der Raumsonde, eröffnet. Das Spektrometer soll dabei die Nachtseite des 1.123 Kilometer durchmessenden Mondes mit verschiedenen Instrumentenkanälen scannen. Das Ziel dieser Beobachtungen besteht darin, die Temperaturverteilung auf der Mondoberfläche zu ermitteln. Begleitet werden die Messungen durch verschiedene Aufnahmen der ISS-Kamera. Durch den Vergleich mit diesen Aufnahmen soll bei der Auswertung der gesammelten Daten die gemessene Temperatur einzelnen Oberflächenstrukturen zugeordnet werden.
In der Phase der dichtesten Annäherung an Dione wird das Radio Science Subsystem (RSS) eingesetzt werden. Während des Vorbeifluges an dem Mond wird die Raumsonde durch von Dione ausgehende gravitative Einflüsse minimal von der vorgesehenen Flugbahn abgelenkt werden. Diese Abweichungen machen sich in einem von Cassini ausgestrahlten Radiosignal durch eine Dopplerverschiebung bemerkbar. Durch die RSS-Messungen sollen Informationen über die innere Struktur des Mondes gewonnen werden. Speziell erhoffen sich die Wissenschaftler durch das RSS-Experiment Erkenntnisse über eventuell existierende Heterogenitäten und Massekonzentrationen im Inneren von Dione.
Während der erfolgenden RSS-Messungen muss die vier Meter durchmessende HG-Antenne der Raumsonde exakt auf die Erde ausgerichtet sein. Da die wissenschaftlichen Instrumente starr auf einer Instrumentenplattform montiert sind, ist es somit während der Hauptphase dieses Vorbeifluges nicht möglich, Aufnahmen des Mondes durch die ISS-Kamera zu gewinnen. Nach dem Abschluss des RSS-Experiments sind allerdings weitere Aufnahmen der Mondoberfläche vorgesehen. Zusätzlich ergeben sich die Möglichkeiten für Messungen mit zwei weiteren Spektrometern, dem Ion and Neutral Mass Spectrometer (INMS) und dem Visible and Infrared Mapping Spectrometer (VIMS).
(Bild: NASA, JPL-Caltech, Space Science Institute)
Bereits einen Tag später findet am 13. Dezember die nächste gesteuerte Begegnung mit einem Saturnmond statt. Um 21:11 MEZ wird sich Cassini dem Titan zum 80. Mal nähern und den Mond im Rahmen des als “T-79” bezeichneten Vorbeifluges mit einer Geschwindigkeit von 5,8 Kilometern pro Sekunde in einer Distanz von 3.585 Kilometern passieren. Während der Annäherungsphase wird das CIRS-Spektrometer die Messungen bestimmen und mehrere Temperaturkarten von der Nachtseite des Titan erstellen. Zusätzlich soll CIRS die Aerosolverteilung über der Nordpolregion und in den mittleren südlichen Breiten messen.
Zum Zeitpunkt der dichtesten Annäherung wird das VIMS-Spektrometer übernehmen und hochaufgelöste Daten von der Äquatorregion des Mondes sammeln. Von besonderem Interesse sind hierbei die ausgedehnten Dünenfelder in den Regionen Belet und Adiri. Anschließend erfolgt eine weitere Temperaturmessung durch das CIRS, welcher diesmal die Tagseite des Mondes zum Ziel haben wird. All diese Messungen werden durch zusätzliche Aufnahmen der ISS-Kamera ergänzt. Auch in den folgenden Tagen wird sich die ISS-Kamera für jeweils mehrere Stunden auf den Titan richten und weitere Abbildungen von dessen Atmosphäre erstellen.
Für den 20. und 21. Dezember sind weitere astrometrische Beobachtungen vorgesehen, welche diesmal die Monde Janus, Polydeuces, Pandora, Atlas, Calypso, Pallene, Prometheus, Epimetheus und Helene zum Ziel haben werden. Am 21. Dezember steht erneut der Titan auf dem Beobachtungsprogramm. Aus einer Distanz von 3,84 Millionen Kilometern sollen erneut dessen Atmosphäre und speziell die zu diesem Zeitpunkt eventuell erkennbaren Wolkenstrukturen abgebildet werden.
Die letzte geplante Beobachtungssequenz während des Orbits Nummer 159 wird schließlich den kleinen, äußeren Saturnmond Suttungr zum Ziel haben, welcher am 23. Dezember von der ISS-Kamera über einen Zeitraum von rund 15 Stunden aus einer Entfernung von etwa 17 Millionen Kilometern abgebildet werden soll. Über diesen erst im Herbst 2000 entdeckten und etwa sieben Kilometer durchmessenden Mond ist bisher außer den Daten seiner Umlaufbahn nur sehr wenig bekannt. Seine im Vergleich zu anderen Saturnmonden relativ hohe Dichte von etwa 2,3 Gramm pro Kubikzentimeter deutet darauf hin, dass er sich vermutlich aus Wassereis und einem hohen Gesteinsanteil zusammensetzt.
(Bild: NASA, JPL)
Anhand der Variationen in der sich bei der Beobachtung am 23. Dezember ergebenden Lichtkurve soll die Rotationsperiode von Suttungr näher bestimmt werden. Diese Beobachtung ist Bestandteil einer langfristig angelegten Kampagne, in deren Verlauf mehrere der kleinen, äußeren Saturnmonde unter verschiedenen Beleuchtungsverhältnissen aus mehreren Millionen Kilometern Entfernung abgebildet werden.
Trotz der großen Distanz zwischen den Monden und der Raumsonde kann Cassini bei derartigen Beobachtungen neben den Rotationsgeschwindigkeiten der Monde wertvolle Daten über deren Ausdehnung, die sich daraus ergebende Gestalt und die Neigung der Rotationsachsen gewinnen. Entsprechende Ergebnisse wurden erst Anfang Oktober 2011 auf dem EPSC-DPS Joint Meeting 2011, einem internationalen Kongress über Planetenforschung, im französischen Nantes präsentiert.
Ebenfalls am 23. Dezember 2011 wird Cassini schließlich um 20:14 MEZ in einer Entfernung von rund 2,9 Millionen Kilometern zum Saturn erneut die Apoapsis erreichen und den 159. Orbit um den Ringplaneten beenden. Während des damit beginnenden Orbits Nummer 160 wird am 2. Januar 2012 ein weiterer gesteuerter Vorbeiflug an dem Mond Titan erfolgen. Außerdem wird sich das Augenmerk von Cassini erneut auf den Saturn richten, welcher dabei aus unterschiedlichen Entfernungen mit den verschiedenen Instrumenten untersucht werden soll.
Die Mission Cassini-Huygens ist ein Gemeinschaftsprojekt der 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 für das Direktorat für wissenschaftliche Missionen der NASA in Washington, DC.
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