Am 27. September begann für die Raumsonde Cassini der mittlerweile 199. Umlauf um den Planeten Saturn. In den kommenden Wochen werden sich erneut das Ringsystem und die Atmosphäre des Saturn im Fokus des wissenschaftlichen Interesses befinden. Den Höhepunkt dieses Orbits bildet allerdings ein für den 14. Oktober geplanter dichter Vorbeiflug der Raumsonde an dem Saturnmond Titan.
Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: CICLOPS, JPL, The Planetary Society.
(Bild: NASA, JPL-Caltech, Space Science Institute)
Bereits am 27. September 2013 hat die Raumsonde Cassini um 17.02 Uhr MESZ auf ihrer elliptischen Umlaufbahn um den Saturn erneut die Apoapsis, den Punkt ihrer größten Entfernung zum zweitgrößten Planeten innerhalb unseres Sonnensystems erreichen. Zu diesem Zeitpunkt befand sich die Raumsonde in einer Entfernung von rund 2,63 Millionen Kilometern zu der obersten Wolkenschicht des Saturn und begann damit zugleich ihren mittlerweile 199. Umlauf um den Ringplaneten. Aktuell weist die Flugbahn von Cassini eine Inklination von 51,9 Grad auf.
Für das aus einer Telekamera (NAC) und einer Weitwinkelkamera (WAC) bestehende ISS-Kameraexperiment, einem der 12 wissenschaftlichen Instrumenten an Bord von Cassini, sind während des 42 Tage andauernden Umlaufs – dieser trägt die Bezeichnung “Rev 198” – insgesamt 41 Beobachtungskampagnen vorgesehen. Ein Großteil dieser Kampagnen wird erneut die Atmosphäre und das Ringsystem des Saturn zum Ziel haben. Den Höhepunkt der Beobachtungen stellt jedoch ein gesteuerter Vorbeiflug am größten der derzeit 62 bekannten Saturnmonde, dem 5.150 Kilometer durchmessenden Mond Titan dar.
Der Titan ist auch das Ziel der ersten Beobachtungskampagne der ISS-Kamera, welche am 5. Oktober erfolgen wird. Aus einer Entfernung von 1,72 Millionen Kilometern wird sich das Interesse der an der Mission beteiligten Wissenschaftler dabei auf die Verteilung von Wolkenstrukturen und die verschiedenen in der Titanatmosphäre befindlichen Dunstschichten richten. Eine vergleichbare Kampagne wird zwei Tage später aus einer Entfernung von dann 1,3 Millionen Kilometern durchgeführt.
Am 8. Oktober sollen mehrere der kleineren, inneren Saturnmonde im Rahmen sogenannter astrometrischer Beobachtungen abgebildet werden. Die Umlaufbahnen dieser kleinen und entsprechend massearmen Saturnmonde unterliegen einer permanenten gravitativen Beeinflussung durch den Saturn und dessen größeren Monden, was zu minimalen Veränderungen der jeweiligen Umlaufbahnen führen kann. Das wissenschaftliche Ziel der anzufertigenden Aufnahmen der Monde besteht darin, die derzeit verfügbaren Daten über deren Umlaufbahnen noch weiter zu präzisieren.
Unmittelbar nach dem Abschluss dieser astrometrischen Beobachtungskampagne wird sich die ISS-Kamera dann auf den Saturn richten. Mittels der dabei geplanten Abbildungen der Saturnatmosphäre durch die WAC-Kamera, welche Bestandteil einer langfristig ausgelegten “Sturmbeobachtungskampagne” sind, sollen erneut aktuelle Daten über das dortige Wettergeschehen gesammelt werden. Durch die Beobachtung von kleineren Sturmgebieten und markanten Wolkenformationen in den Atmosphären des Saturn lassen sich zum Beispiel Aussagen über die dort gegenwärtig vorherrschenden Windrichtungen und Windgeschwindigkeiten tätigen. Bis zum 11. Oktober sind neun weitere solcher Beobachtungen vorgesehen.
(Bild: NASA, JPL-Caltech, Space Science Institute)
Ebenfalls am 8. Oktober steht eine Sternbedeckung auf dem Beobachtungsprogramm von Cassini, wobei neben der ISS-Kamera eines der Spektrometer der Raumsonde, das Visual and Infrared Spectrometer (VIMS), zum Einsatz kommen wird. Bei dieser Okkultation wird der halbregelmäßig veränderliche rote Riesenstern L2 Puppis von Teilen des F-Ringes des Saturn bedeckt. Durch die sich dabei ergebenden Helligkeitsschwankungen in der Lichtkurve von L2 Puppis erhoffen sich die an der Kampagne beteiligten Wissenschaftler Aufschlüsse über den Aufbau, die Materialdichte und die Struktur der Ringbereiche, welche den Stern bei dieser Okkultation bedecken.
Für den 10. und 11. Oktober vorgesehene Beobachtungen werden sich auf das Ringsystem des Saturn konzentrieren. Unter anderem sollen hierbei zum wiederholten Mal sogenannte “Propellerstrukturen” im äußeren Bereich des A-Ringes dokumentiert werden. Bei diesen entfernt an Flugzeugpropeller erinnernden, lediglich etwa 15 bis 25 Kilometer großen Strukturen handelt es sich um kleine “Hohlräume” innerhalb des A-Ringes, welche durch die gravitativen Einflüsse von vermutlich lediglich wenige Dutzend Kilometer durchmessenden Mini-Monden – so genannten Moonlets – verursacht werden (Raumfahrer.net berichtete) über den bei der Entstehung dieser Strukturen zugrunde liegenden Prozess). Durch die anzufertigenden Aufnahmen sollen die bisher bekannten Bahnparameter dieser Moonlets noch weiter verfeinert werden.
Der 96. Vorbeiflug am Titan
Nach der anschließend erfolgenden Aufnahme eines aus sieben Einzelbilder bestehenden Farbmosaiks des Saturn und Teilen von dessen Ringsystem beginnt für die Raumsonde Cassini der 96. zielgesteuerte Vorbeiflug an dem Saturnmond Titan, welcher am 14. Oktober um 06.56 MESZ in einer Entfernung von 961 Kilometern mit einer Geschwindigkeit von 5,9 Kilometern pro Sekunde passiert werden wird.
Die Beobachtungen des Titan beginnen bereits am 12. Oktober mit der Durchführung von drei Kampagnen zur Beobachtung der in der Atmosphäre befindlichen Wolkenformationen. Ebenfalls noch während der Annäherungsphase an den Titan soll ein weiteres Instrument, das Composite Infrared Spectrometer (CIRS), dazu genutzt werden, um am 13. Oktober diverse Scans auf der Nachtseite des Titan durchzuführen. Das Ziel der Messungen besteht darin, die zu diesem Zeitpunkt in der Stratosphäre der Titanatmosphäre vorherrschenden Temperaturen zu ermitteln. Zusätzlich sollen hierbei durch Abtastungen, welche im mittleren und fernen Infrarotbereich erfolgen, die Verteilung von Aerosolen und verschiedener chemischer Verbindungen in den oberen Schichten der Titanatmosphäre bestimmt werden.
(Bild: NASA, JPL-Caltech, ASI)
Noch während dieser Messungen wird Cassini zudem um 15.40 MESZ die Periapsis, den Punkt der größten Annäherung an den Saturn während dieses Orbits Nummer 199 erreichen und den Planeten in einer Entfernung von 1,14 Millionen Kilometern passieren. Die Entfernung zum Titan wird zu diesem Zeitpunkt 294.150 Kilometer betragen. Im Anschluss an diese Messungen wird die ISS-Kamera Teilbereiche der Nordpolregion des Titan und von dessen nördlichen Hemisphäre abbilden und ein aus sechs Einzelaufnahmen bestehendes Mosaik erstellen. Diese Aufnahmen sollen diverse Details über die dort befindlichen Seen aus Kohlenwasserstoffverbindungen enthüllen und eine immer noch existierende größere Datenlücke in den bisherigen Titanaufnahmen der ISS-Kamera schließen.
Im Rahmen der dichtesten Annäherung an den Titan werden schließlich zwei weitere Instrumente zum Einsatz kommen. Das RADAR-Instrument wird dabei während der Annäherung an den Titan einen Scan im Synthetic Aperture Radar-Modus durchführen und dabei einen Streifen der auf der nördlichen Hemisphäre gelegenen Oberfläche abbilden. Unmittelbar vor der dichtesten Annäherung soll das Instrument durch Scatterometrie- und Radiometriemessungen weitere Daten über die Beschaffenheit des Geländes auf der nördlichen Hemisphäre sammeln.
Während der dichtesten Annäherung wird zudem das Ion and Neutral Mass Spectrometer (INMS) direkte Messungen der oberen Schicht der Titanatmosphäre durchführen. Das Ziel dieser Untersuchung besteht darin, Informationen über die erfolgende Interaktion zwischen dem Sonnenwind und der Atmosphäre zu gewinnen. Auch nach dem Passieren des Titan wird das RADAR zunächst mit seinen Messungen fortfahren und dabei verschiedene Bereiche der Oberfläche abtasten. Unter anderem wird dabei auch der mit Kohlenwasserstoffverbindungen gefüllte See Ontario Lacus in den Abtastungsbereich gelangen.
Nach dem Abschluss der RADAR-Messungen wird erneut das CIRS-Spektrometer eingesetzt und mehrere Messungen über der südlichen Hemisphäre durchführen. Hierdurch sollen eventuell erfolgende, durch den Wechsel der Jahreszeiten begünstigte Veränderungen in der Atmosphäre dieses Mondes dokumentiert werden. Als Abschluss dieses als “T-95” bezeichneten Titan-Vorbeifluges sind für den 15. und 16 Oktober sechs weitere Fotokampagnen der ISS-Kamera vorgesehen, mit denen speziell auf der Südhälfte des Titan erneut Wolkenformationen abgebildet werden sollen.
Beobachtungen des Ringsystems
(Bild: NASA, JPL-Caltech, Space Science Institute)
Ebenfalls am 16. Oktober wird die ISS-Kamera zudem in Zusammenarbeit mit dem VIMS-Spektrometer eine weitere Sternbedeckung dokumentieren. Hierbei wird diesmal der im Sternbild Leier gelegene Stern R Lyrae von Teilen des F-Ringes bedeckt. Dieser Ring soll dann am 18. Oktober erneut mehrfach abgebildet werden. Bei dieser Beobachtungssequenz gilt das wissenschaftliche Interesse speziell den diversen Verästelungen der gewundenen Einzelringe sowie deren Interaktion mit den in der Nähe befindlichen Monden. Frühere Beobachtungen zeigten, dass vor allem gravitative Wechselwirkungen mit dem weiter innen liegenden A-Ring und den beiden den F-Ring begrenzenden Saturnmonden Prometheus und Pandora die Struktur des F-Ringes gestalten. Speziell die gravitativen Einflüsse dieser beiden als “Schäfermonde” fungierenden Monde sind für die Ausbildung der beobachteten Wellenstrukturen des F-Ringes verantwortlich.
Am 19. und 21. Oktober soll dann der B-Ring näher untersucht werden. Durch die Aufnahmen der ISS-Kamera sollen eventuell dort befindlichen “Speichenformationen” abgebildet werden. Diese Strukturen wurden erstmals auf den Aufnahmen der Raumsonden Voyager 1 und Voyager 2 ausgemacht, welche den Saturn bereits Anfang der 1980er Jahre passierten. Diese auf Fotoaufnahme in hellen Farben erkennbaren Speichen sind im Durchschnitt lediglich etwa 100 Kilometer breit und erstrecken sich radial über eine Strecke von bis zu 20.000 Kilometer in das Ringsystem hinein.
Es handelt sich hierbei um lediglich vorübergehend auftretende Erscheinungen, welche sich innerhalb von wenigen Stunden ausbilden und dann wieder verschwinden. Die Planetenforscher sind sich mittlerweile weitgehend sicher, dass diese Speichenstrukturen durch elektrisch aufgeladenen Staub verursacht werden, welcher durch elektrischen Abstoßungskräfte vorübergehend aus dem B-Ring herausgedrückt wird. Es wird vermutet, dass die Speichen ein saisonales Phänome darstellen und sich nur zu bestimmten Zeiten während eines knapp 30 Jahre andauernden Saturnjahres bilden. Mit dem Fortschreiten der Jahreszeiten und dem Einsetzen des Sommers auf der nördlichen Planetenhemisphäre sollten sie dann nicht mehr auftreten.
(Bild: NASA, JPL-Caltech, Space Science Institute)
Auch für die Entstehung dieser elektrischen Aufladungen gibt es einen Erklärungsansatz. In der Saturnatmosphäre auftretende Gewitter ziehen demzufolge zumindestens zeitweise nach außen gerichtete elektrische Entladungen nach sich, welche dabei zehntausendfach stärker ausfallen als die bei irdischen Gewittern auftretenden Blitze.
Während die meisten Blitze zu Entladungen zwischen Wolken und der “Oberfläche” des Gasplaneten führen, können aus dem Weltall einfallende, hochenergetische Partikel eine in die Höhe gerichtete Entladung auslösen. Dabei “schießen” Ströme von Elektronen in den Weltraum und laden die dort befindlichen Staubteilchen des B-Ringes elektrostatisch auf. Zu solchen nach außen gerichteten Entladungen – so genannten Sprites – kommt es gelegentlich auch bei Gewittern auf der Erde.
Sonnenkonjunktion
Am 7. November 2013 wird die Raumsonde Cassini schließlich um 7.31 MEZ in einer Entfernung von rund 3,9 Millionen Kilometern zum Saturn erneut die Apoapsis ihrer Umlaufbahn erreichen und damit auch diesen 199. Umlauf um den Ringplaneten beenden. Für den damit beginnenden Orbit Nummer 200 sind erneut diverse Beobachtungen des Ringsystems und der Atmosphäre des Saturn sowie verschiedener Saturnmonde vorgesehen. Den Höhepunkt dieses nächsten Orbits bildet dabei ein weiterer gesteuerter Vorbeiflug an dem Mond Titan, welcher von der Raumsonde am 1. Dezember 2013 in einer Entfernung von rund 1.400 Kilometern passiert werden wird.
Zuvor wird die Kommunikation mit der Raumsonde allerdings erst einmal nur sehr stark eingeschränkt möglich sein. Der Grund hierfür ist die Anfang November stattfindende “Sonnenkonjunktion”. Hierbei handelt es sich um eine Himmelskonstellation, bei der sich der Saturn von der Erde aus gesehen in einem Abstand von nur wenigen Grad zu der Sonne befindet. Aufgrund dieser Planetenkonstellation ist die Datenübertragung zwischen der Erde und der in einer Umlaufbahn um den Saturn befindlichen Raumsonde im Zeitraum zwischen dem 4. und dem 8. November stark beeinträchtigt, da die von der Sonne ausgehende Strahlung die Funksignale, welche zwischen den beiden Planeten hin und her gesandt werden, zu sehr stört.
(Bild: Solar System Simulator des JPL)
Augrund der dadurch bedingten Begrenzung der Datenübertragungsraten wird die Raumsonde Cassini in diesem Zeitraum keine wissenschaftlichen Untersuchungen des Saturn vornehmen. Allerdings wollen die beteiligten Wissenschaftler diese Zeit dazu nutzen, um mit dem Radio Science Subsystem (RSS), also dem Kommunikationssystem der Raumsonde, den Einfluss zu studieren, welchen die Sonnenstrahlung auf die in mehreren Wellenbereichen ausgesandten Radiosignale von Cassini ausübt. Durch die Verzerrungen der Radiosignale sollen so zum Beispiel Erkenntnisse über den aktuellen Elektronengehalt in der Sonnenkorona gewonnen werden.
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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