Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: CICLOPS, JPL, The Planetary Society.

Nach einer Flugdauer von fast sieben Jahren und einer bis dahin zurückgelegten Distanz von nahezu 3,5 Milliarden Kilometern trat die Raumsonde Cassini am 1. Juli 2004 in eine Umlaufbahn um den Saturn ein. In den folgenden zehn Jahren hat die Raumsonde den Planeten mittlerweile 206 mal umkreist und dabei weitere mehr als drei Milliarden Kilometer zurückgelegt. Am morgigen Tag, dem 2. Juli 2014, wird Cassini um 08:52 MESZ auf ihrer elliptischen Umlaufbahn um den Saturn erneut die Apoapsis, den Punkt ihrer größten Entfernung zu dem zweitgrößten Planeten innerhalb unseres Sonnensystems erreichen. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Raumsonde in einer Entfernung von rund 2,92 Millionen Kilometern zu der obersten Wolkenschicht des Saturn und beginnt damit zugleich ihren 207. Umlauf um den Ringplaneten.

Für das aus einer Telekamera (NAC) und einer Weitwinkelkamera (WAC) bestehende ISS-Kameraexperiment, einem der 12 wissenschaftlichen Instrumenten an Bord von Cassini, sind während dieses 32 Tage andauernden Umlaufs, dessen offizielle Bezeichnung „Rev 206“ lautet, insgesamt 54 Beobachtungskampagnen vorgesehen. Wie üblich wird ein Großteil dieser Kampagnen erneut die Atmosphäre und das Ringsystem des Saturn zum Ziel haben. Den Höhepunkt der Beobachtungen stellt allerdings ein für den 20. Juli vorgesehener Vorbeiflug an dem größten der derzeit 62 bekannten Saturnmonde, dem 5.150 Kilometer durchmessenden Mond Titan, dar.
Wetterbeobachtungen auf Titan und Saturn
Der Titan wird dann auch lediglich eine Stunde nach dem Beginn des neuen Orbits das erste Ziel für die ISS-Kamera darstellen. Aus einer Distanz von 3,89 Millionen Kilometern soll dabei die Atmosphäre über der nördlichen Titan-Hemisphäre abgebildet werden. Durch die Dokumentation von kleineren Sturmgebieten und markanten Wolkenformationen lassen sich zum Beispiel Aussagen über die gegenwärtig in der dichten Titanatmosphäre vorherrschenden Windrichtungen und Windgeschwindigkeiten tätigen. In Kombination mit früheren und zukünftigen Beobachtungen dieser langfristig angelegten ‚Sturmbeobachtungskampagne‘ lässt sich durch derartige Aufnahmen die allgemeine ‚Großwetterlage‘ auf dem Titan dokumentieren, welche sich aufgrund der Bewegung des Saturn um die Sonne und der dabei auftretenden Jahreszeiten in einem etwa 30 Jahre dauernden Rhythmus kontinuierlich verändert (Raumfahrer.net berichtete). Mit der gleichen Zielsetzung ist ebenfalls noch für den 2. Juli eine Beobachtung der Saturnatmosphäre angesetzt. Vergleichbare Saturn-Beobachtungen aus größeren Entfernungen sollen dann bis zum 2. August insgesamt 14 mal wiederholt werden.

Diverse Monde…

Am 6. Juli steht ein Teilbereich des G-Ringes des Saturn auf dem Beobachtungsprogramm der ISS-Kamera. Dieser anscheinend hauptsächlich aus feinen Staubpartikeln bestehende Ring wird aus Material gespeist, welches durch die Einschläge von Mikrometeoriten von der Oberfläche des erst im Jahr 2008 auf Cassini-Aufnahmen entdeckten und lediglich rund 600 Meter durchmessenden Mondes Aegaeon stammt.

Anschließend soll der lediglich etwa 1,8 Kilometer durchmessende Mond Anthe und ein in der unmittelbaren Umgebung verlaufender „Ringbogen“ fotografisch dokumentiert werden. Diese ringähnliche Struktur bildet keinen geschlossenen Ring, sondern erstreckt sich über mehrere tausend Kilometer vor und hinter diesem Mond. Sehr wahrscheinlich wird dieser nur sehr lichtschwache Teil-Ring ebenfalls durch Staubpartikel und Eis gebildet, welches durch die kontinuierlich erfolgenden Einschläge von Mikrometeoriten auf die Oberfläche des Mondes Anthe in das umgebende Weltall befördert wird.

Den 7. und 8. Juli wird die ISS-Kamera damit verbringen, um über einen Zeitraum von 24 Stunden den kleinen, äußeren Saturnmond Kiviuq mehrfach aus einer Distanz von rund 14,9 Millionen Kilometern abzubilden. In Kombination mit den bereits zu früheren Zeitpunkten gewonnenen Beobachtungsdaten soll hierdurch die Ausrichtung von dessen Rotationsachse ermittelt werden. Außerdem sollen die neu anzufertigenden Aufnahmen, welche allerdings keine Oberflächendetails enthüllen werden, dazu dienen, die Form und Gestalt dieses lediglich rund 16 Kilometer durchmessenden Mondes zu bestimmen. Des weiteren soll mit den geplanten Aufnahmen auch die Farbe von dessen Oberfläche bestimmt werden, was wiederum Rückschlüsse über deren chemische und mineralogische Zusammensetzung ermöglicht.

Für den 13. Juli sind erneut diverse sogenannte „astrometrische Beobachtungen“ von mehreren der kleineren, inneren Saturnmonde vorgesehen. 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. Weitere astrometrische Beobachtungen werden am 25. Juli erfolgen.

Zuvor stehen jedoch am 14. Juli die Monde Tethys und Rhea auf dem Beobachtungsprogramm. Auf den vorgesehenen Aufnahmen wird zu sehen sein, wie verschiedene kleinere Monde vor diesen 1.065 beziehungsweise 1.530 Kilometer durchmessenden Monden vorbeiziehen. Auch aus diesen Aufnahmen lassen sich astrometrische Informationen ableiten.

… und Ringe
Weitere Beobachtungen an diesem Tag werden dagegen das Ringsystem des Saturn zum Ziel haben. Aus den gewonnenen Aufnahmen soll unter anderem eine kurze Videosequenz des D-Ringes erstellt werden.

Am 16. Juli wird die ISS-Kamera Teilbereiche des äußeren A-Ringes des Saturn abbilden. Hierbei sollen unter anderem zum wiederholten Mal sogenannte „Propellerstrukturen“ dokumentiert werden. Bei diesen lediglich etwa 15 bis 25 Kilometer großen Strukturen handelt es sich um kleine „Hohlräume“ innerhalb des Ringsystems, welche durch die gravitativen Einflüsse von vermutlich lediglich wenige Dutzend Kilometer durchmessenden Mini-Monden – so genannten Moonlets – verursacht werden. Durch die anzufertigenden Aufnahmen des A-Ringes sollen die bisher bekannten Bahnparameter dieser Moonlets noch weiter verfeinert werden.

Bei weiteren Beobachtungen der Saturnringe wird in den folgenden Stunden neben der ISS-Kamera auch eines der Spektrometer der Raumsonde, das Visual and Infrared Mapping Spectrometer (VIMS), eingesetzt. Das VIMS wird am 16., 17. und 25. Juli zudem auch drei Sternbedeckungen dokumentieren. Hierbei werden die Sterne Wega und R Lyrae – beide im Sternbild Leier (lateinischer Name Lyra) gelegen – sowie L2 Puppis (Achterdeck des Schiffs) von Teilen des Ringsystems bedeckt.

Durch die sich dabei ergebenden Helligkeitsschwankungen in den Lichtkurven der Sterne erhoffen sich die an der Kampagne beteiligten Wissenschaftler Aufschlüsse über den Aufbau, die Materialdichte und die Struktur der Ringbereiche, welche die Sterne bei diesen Okkultationen bedecken. Außerdem, so die Wissenschaftler, können hierbei eventuelle Veränderungen in der Ringstruktur registriert werden, welche erst kürzlich durch das Gravitationsfeld des Saturn oder durch ‚Einschläge‘ von Meteoroiden verursacht wurden.

Die am 17. und 18. Juli zu gewinnenden Aufnahmen des B-Ringes und der im äußeren A-Ring gelegenen Encke-Teilung sollen ebenfalls zu kurzen Videosequenzen zusammengefügt werden. Am 18. Juli wird Cassini schließlich um 07:26 MESZ die Periapsis, den Punkt der größten Annäherung an den Saturn während dieses Orbits Nummer 207, erreichen und den Ringplaneten dabei in einer Entfernung von 839.900 Kilometern passieren.

Der Titan-Vorbeiflug T-103
Zwei Tage später, am 20. Juli 2014, steht dann der Höhepunkt dieses 207. Umlaufs der Raumsonde Cassini um den Saturn an. Um 12:41 MESZ wird die Raumsonde den größten der Saturnmonde im Rahmen eines zielgerichteten Vorbeifluges mit einer Geschwindigkeit von 5,6 Kilometern pro Sekunde in einer Entfernung von 5.103,2 Kilometern passieren. Die mit diesem 104. Vorbeiflug am Titan – das Manöver trägt die Bezeichnung „T-103“ – assoziierten Beobachtungen beginnen bereits mehrere Stunden vor der dichtesten Annäherung mit diversen Fotoaufnahmen durch die ISS-Kamera, welche dabei zunächst mit verschiedenen Spektralfiltern die südliche Titanhemisphäre abbilden wird.

Unterstützt wird das Kamerasystem hierbei durch ein weiteres Instrument – das Composite Infrared Spectrometer (CIRS). Das Ziel der im mittleren Infrarotbereich durchzuführenden CIRS-Messungen besteht darin, die zu diesem Zeitpunkt auf der Oberfläche und in der Titanatmosphäre vorherrschenden Temperaturen zu ermitteln und – in Kombination mit den zu früheren Zeitpunkten gewonnenen Daten – zu einem Temperaturprofil zusammenzufügen. Durch dieses Profil sollen letztendlich die Temperaturveränderungen dokumentiert werden, welche sich durch den gegenwärtig erfolgenden Wechsel der Jahreszeiten – auf der nördlichen Titanhemisphäre geht der Frühling gerade in den Sommer über – ergeben.

Mit zunehmender Annäherung an den Mond wird die ISS-Kamera ein globales Mosaik der zu diesem Zeitpunkt sichtbaren Titanoberfläche anfertigen. Die entsprechenden Aufnahmen sollen dabei eine Auflösung von etwa 1,5 Kilometern pro Pixel erreichen. Des weiteren soll erneut das VIMS eingesetzt werden, um ebenfalls die Atmosphäre und die Oberfläche des Titan zu dokumentieren.

Ebenfalls noch während der Annäherungsphase kommt ein weiteres Spektrometer, das Ultraviolet Imaging Spectrometer (UVIS), zum Einsatz. Dieses Instrument soll dokumentieren, wie der Stern Achernar, der Hauptstern des Sternbildes Eridanus, langsam von der ausgedehnten Atmosphäre des Titan verdeckt wird. Das UVIS wird durch die Beobachtung dieser Okkultation in der Lage sein, ein hochaufgelöstes Profil der Verteilung von Kohlenwasserstoffverbindungen und Staubschichten in der Titanatmosphäre zu erstellen und Informationen über die vorherrschenden Temperaturen und Druckverhältnisse bis hinunter zu einer Höhe von etwa 200 Kilometern über der Oberfläche zu liefern. Die geringe Geschwindigkeit, mit der die Titanatmosphäre von Cassini aus betrachtet vor dem Stern vorbeizieht, wird dabei eine hohe Auflösung und Qualität der zu gewinnenden Daten gewährleisten.

Während der Phase der dichtesten Annäherung sollen diese Messungen wiederholt werden. Allerdings wird es sich bei dem Stern, der dabei von dem Titan bedeckt wird, nicht um einen viele Lichtjahre entfernten ‚Fixstern‘, sondern um das Zentralgestirn unseres Sonnensystems handeln. Noch vor dem Beginn dieser ‚Sonnenbedeckung‘ sollen die Bereiche der Titanatmosphäre, welche dann das Sonnenlicht ‚dimmen‘ werden, zu Vergleichszwecken mit den im fernen und im extremen Ultraviolettbereich arbeitenden Kanälen des UVIS abgetastet werden.

Im Anschluss an diese Messungen werden zwecks des Studiums der Titanatmosphäre weitere Messungen durch das UVIS erfolgen. Außerdem wird die ISS-Kamera bis zum 22. Juli den Titan mehrfach aus unterschiedlichen Entfernungen abbilden und dabei weitere Daten über die Wolkenbewegungen über der nördlichen Hemisphäre sammeln.

Erneut Ringe und Monde
Am 25. Juli wird die ISS-Kamera eine radiale Erfassung der Saturnringe durchführen. Durch die Verwendung verschiedener Filter kann das Ringsystem dabei im Farbe wiedergegeben werden. Im Vergleich zu entsprechenden früheren Aufnahmen werden die Ringe dabei aufgrund der zu diesem Zeitpunkt gegebenen hohen Inklination der Raumsonde von 48 Grad aus einer ‚größeren Höhe‘ erkennbar sein. Trotz der großen Entfernung zu den Ringen werden die Aufnahmen zudem über eine höhere Auflösung verfügen.

Am 26. und 28. Juli steht der kleine, äußere Mond Ijiraq auf dem Beobachtungsprogramm. Außer dessen Durchmesser von etwa 12 Kilometern, den Daten seiner Umlaufbahn und seiner mittleren Dichte von etwa 2,3 Gramm pro Kubikzentimeter ist über diesen erst im Herbst 2000 entdeckten Mond bisher nur sehr wenig bekannt. Durch die Beobachtungskampagne, welche aus einer Entfernung von etwa 11,2 Millionen Kilometern erfolgen wird, sollen anhand der Variationen in der sich aus diesen Beobachtungen ergebenden Lichtkurven Informationen über die Position von dessen Polen, die Ausrichtung der Rotationsachse und die Dauer der Rotationsperiode gewonnen werden. Ebenfalls noch am 28. Juli und dann nochmals am 2. August wird sich die ISS-Kamera erneut auf den Titan richten und dort befindliche Wolkenformationen dokumentieren.

Am 3. August 2014 wird die Raumsonde Cassini schließlich um 08:57 MESZ in einer Entfernung von rund 2,9 Millionen Kilometern zum Saturn erneut die Apoapsis ihrer Umlaufbahn erreichen und damit auch diesen 207. Umlauf um den Ringplaneten beenden. Für den damit beginnenden Orbit Nummer 208 sind erneut diverse Beobachtungen des Ringsystems und der Atmosphäre des Saturn sowie der Saturnmonde vorgesehen. Den Höhepunkt dieses nächsten Orbits bildet dabei ein weiterer gesteuerter Vorbeiflug an dem Mond Titan, welcher von der Raumsonde am 21. August 2014 in einer Entfernung von dann lediglich 964 Kilometern erneut passiert werden soll.

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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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: NASA.

Bildmaterial aus einem Zeitraum von sechshundert Tagen, aufgenommen von der am 15. Oktober 1997 gestarteten und Mitte 2004 am Saturn eingetroffenen Sonde Cassini, war zu analysieren, bis man sich sicher war, einen sehr kleinen Mond mit etwa einem halben Kilometer Durchmesser eingebettet in einen Bogenabschnitt des dünnen G-Rings von Saturn gefunden zu haben. Die NASA spricht von einem moonlet.

Vor den Beobachtungen von Cassini war der staubige G-Ring der einzige von Saturns Ringen, den man nicht eindeutig mit dem Vorhandensein eines bekannten Mondes in Verbindung bringen konnte. Zusammen mit anderen Daten von Cassini hilft die Entdeckung des kleinen Mondes nun, den zuvor rätselhaften Ring um Saturn zu verstehen.

Die Ringe um Saturn sind in alphabetischer Reihenfolge nach dem Zeitpunkt ihrer Entdeckung benannt. Von innen nach außen sind es die Ringe D, C, B, A, F, G und E. Der G-Ring ist also einer der äußeren Ringe. Ein Bestandteil des G-Ringes ist ein relativ helles, 250 Kilometer breites bögenförmiges Band von Material, das sich auf 150.000 Kilometer, also etwa ein Sechstel des Umfangs auf Bahnhöhe, ausbreitet. Der entdeckte kleine Mond bewegt sich zusammen mit dem anderen Material in dem Bogenabschnitt um Saturn herum.

Vorausgegangene Plasma- und Staubbeobachtungen von Cassini hatten bereits angedeutet, dass der Ringabschnitt durch relativ große, eisige Brocken wie dem jetzt gefundenen Mond gebildet worden sein könnte.

Am 15. August 2008 konnte der kleine Mond photographisch festgehalten werden, und seine Existenz wurde in der Folge dadurch bestätigt, dass man ihn auch auf zwei weiteren, vorher angefertigten Photos fand. Anschließend wurde der kleine Mond bei zahlreichen Gelegenheiten gesichtet, zuletzt am 20. Februar 2009.

Da die Größe des Mondes unterhalb des Auflösungsvermögens von Cassinis Kameras liegt, konnte diese nicht direkt gemessen werden. Daher schätzte man die Größe basierend auf Helligkeitsvergleichen mit dem Saturnmond Pallene, der etwa 4 Kilometer Durchmesser aufweist. Man fand auch heraus, dass die Bahn des kleinen Mondes vom in der Nähe befindlichen Saturnmond Mimas mit etwa 400 Kilometern Durchmesser gestört wird, der auch den Zusammenhalt des Ringabschnittes bewirkt.

Cassini hat mit dieser jüngsten Entdeckung nun drei Ringabschnitte mit eingebetteten Kleinmonden aufgespürt. In dem Ringabschnitt des G-Rings könnte es weitere Materieklumpen, auch solche mit Durchmessern zwischen einem und einhundert Metern, geben, wofür Messungen von Cassini sprechen. Meteoritentreffer von außen und Kollisionen der Materieklumpen untereinander könnten für die Ausbreitung und Verteilung von Ringstaub sorgen, und außerdem bewirken, dass Ringmaterial seine stabile Bahn verlässt und auf den Planeten hinabstürzt.

Anfang des Jahres 2010 soll Cassini einen genaueren Blick auf den Ringabschnitt und den kleinen Mond werfen. Die Cassini-Equinox-Mission, eine Erweiterung von Cassinis ursprünglich vierjähriger Misson am Saturn soll bis Herbst 2010 dauern.

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