Erstellt von Ralph-Mirko Richter. Quelle: DLR

Nach einem mehr als zehn Jahre andauernden Flug durch unser Sonnensystem erreichte die von der europäischen Weltraumagentur ESA betriebene Raumsonde Rosetta am 6. August 2014 das Ziel ihrer Reise – den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko (der Einfachheit halber ab hier als „67P“ abgekürzt). Seitdem ‚begleitet‘ Rosetta diesen Kometen auf seinem Weg in das innere Sonnensystem und untersucht dieses Relikt aus der Entstehungsphase unseres Sonnensystems intensiv mit elf wissenschaftlichen Instrumenten.

Bereits am 12. November 2014 wurde dabei ein weiterer Höhepunkt dieser überaus ambitionierten und erfolgreichen Mission zur Erforschung unseres Sonnensystems erreicht: Der von der Raumsonde Rosetta mitgeführte Kometenlander Philae wurde von Rosetta abgetrennt und erreichte um 16:35 MEZ die Oberfläche des Kometen 67P (Raumfahrer.net berichtete live aus den Raumsondenkontrollzentren in Darmstadt und Köln). Dort kam er schließlich nach einer dreifachen Landung an einem ungeplanten Standort zum Stehen, welcher aufgrund der dort gegebenen schlechten Beleuchtungsverhältnisse – die Sonne erreichte den Lander an diesem Standort pro ‚Kometentag‘ für lediglich etwa eine Stunde – keine Möglichkeit bot, seine Energiereserven in einem ausreichenden Umfang zu erneuern.

Trotzdem konnte der Lander – mit der Energie aus einer auf eine Einsatzdauer von etwa 60 Stunden ausgelegten Batterie versorgt – in den folgenden 56 Stunden eine Vielzahl an Messungen durchführen. Die dabei gesammelten Daten der zehn Instrumente des Landers wurden regelmäßig bei jedem sich öffnenden Kommunikationsfenster an die Erde übertragen, bevor die Energiereserven am 15. November so weit erschöpft waren, dass sich Philae um 01:36 MEZ in einen ‚Schlafmodus‘ versetzte.

Warten auf ein erneutes Lebenszeichen von Philae

Damit ist die Mission von Philae jedoch keineswegs zwingend beendet. Aufgrund der zunehmenden Annäherung des Kometen 67P an die Sonne verbessern sich im Bereich des jetzigen Standortes von Philae die dort gegebenen Beleuchtungs- und Temperaturbedingungen immer mehr. Hierdurch bedingt könnte in Zukunft wieder ausreichend Sonnenlicht zur Verfügung stehen, damit der Lander Philae aus seinem Winterschlaf erwacht und sich reaktiviert.

„Philae erhält zurzeit ungefähr doppelt so viel Sonnenenergie wie im November vergangenen Jahres“, so der für den Betrieb des Kometenlanders zuständige Projektleiter Dr. Stephan Ulamec vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Immerhin ist der Komet derzeit ’nur‘ noch rund 300 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt. „Wahrscheinlich wird es trotzdem noch zu kalt für den Lander sein, um aufzuwachen – aber ein Versuch ist es wert. Die Chancen steigen mit jedem Tag.“

Deshalb wird am kommenden Donnerstag, dem 12. März um 05:00 MEZ erstmals die Kommunikationseinheit des Rosetta-Orbiters aktiviert, um den Versuch einer Kontaktaufnahme mit dem Lander durchzuführen. Allerdings, so die Mitarbeiter der Mission, sollten die damit verknüpften Erwartungen nicht zu hoch angesetzt werden, denn es wäre schon sehr viel Glück im Spiel, wenn bereits direkt am 12. März wirklich ein Signal von dem Lander zu empfangen wäre. Eine deutlich realistischere Wahrscheinlichkeit ergibt sich dagegen erst in einigen Monaten.

Sowohl Temperatur- als auch Energiewerte sind entscheidend

Damit der Kometenlander Philae aus seinem Winterschlaf erwachen kann müssen nämlich zunächst zwei Grundvoraussetzungen erfüllt sein.

Zunächst muss im Inneren des Landers ein Temperaturwert erreicht werden, welcher oberhalb von minus 45 Grad Celsius liegt. Neben einer mehrschichtigen Thermalisolierung (engl. „Multi Layer Insulation“) ist Philae zu diesem Zweck mit einem elektrischen Heizsystem ausgerüstet, welches seit dem Übertritt in den derzeitigen Schlafmodus den Großteil der zur Verfügung stehenden Energiereserven beanspruchte.

„Philae ist so konstruiert, dass er seit dem November 2014 jedes bisschen Sonnenenergie dafür nutzt, sich aufzuheizen“, so Dr. Koen Geurts vom DLR.

Zusätzlich zu diesem zwingend erforderlichen Temperaturwert muss der Lander über seine für die Energiegewinnung zuständigen Solarzellen mit mindestens 5,5 Watt Energie versorgt werden, damit er aufwachen kann. Sobald der Lander feststellt, dass er mit mehr als diesen 5,5 Watt Energie versorgt wird und seine Innentemperatur über den besagten minus 45 Grad Celsius liegt, beendet Philae den derzeitigen Schlafmodus automatisch, heizt sich weiter auf und versucht zudem zusätzlich, seine Batterie zu laden. Bisher fiel die Sonneneinstrahlung an dem mit dem Namen „Abydos“ belegten finalen Landeplatz zu gering aus, um diesen erforderlichen Mindestwerte zu überschreiten.

Einmal aufgewacht, schaltet Philae alle 30 Minuten den Empfänger seines Kommunikationssystems ein und versucht dabei ein Signal von dem Kometenorbiter Rosetta zu empfangen. Diese Aktivierung des Kommunikationssystems kann der Lander bereits bei einem noch sehr niedrigen Energiestand durchführen.

„Zu diesem Zeitpunkt wissen wir aber noch nicht, dass er wach ist“, erläutert Koen Geurts diese zunächst nur passiv erfolgende Prozedur der Kontaktaufnahme. „Um uns eine Antwort zu schicken, muss Philae nämlich auch seinen Sender einschalten – und dafür benötigt er zusätzliche Energie.“ Es könnte also durchaus der Fall eintreten, dass der Lander zwar in 500 Millionen Kilometern Entfernung zu Erde bereits aus seinem Winterschlaf aufgewacht ist, seine Energiereserven aber noch nicht ausreichen, um sein Kontrollteam auf der Erde darüber in Kenntnis zu setzen. Insgesamt benötigt der Lander 19 Watt, damit er in Betrieb gehen und zudem eine aktive Kommunikation aufnehmen kann.

Derzeit ist geplant, dass Rosetta zunächst bis zum 20. März versuchen wird, einen Kontakt mit Philae herzustellen. Diese Versuche einer Kontaktaufnahme werden dabei zu Zeitpunkten erfolgen, an denen sich Rosetta mehr oder weniger direkt über dem vermuteten Standort des Landers befindet. Zum gleichen Zeitpunkt muss die Kometenoberfläche dabei zudem von der Sonne beleuchtet werden. Denn nur dann ’steht‘ Philae direkt im Sonnenlicht und wird über seine Solarpaneele direkt mit Energie versorgt.

„Sollten wir bis zum 20. März keinen Kontakt zu Philae aufbauen können, werden wir dies bei der nächsten Gelegenheit wiederholen“, so Dr. Stephan Ulamec. Die jetzt beginnenden Versuche einer Kontaktaufnahme gehen allerdings von einem optimistisch veranschlagten Szenario aus. Wahrscheinlicher ist dagegen, dass der Lander erst in den kommenden Monaten über genügend Energie verfügen wird, um auf eine ‚Anfrage‘ des Orbiters zu reagieren.

Blind Commanding

Bisher konnte der exakte Ort, an dem Philae letztendlich auf der Oberfläche von 67P zum stehen kam, trotz aller Bemühungen noch nicht identifiziert werden. Aus diesem Grund arbeitet das Philae-Operations-Team des DLR derzeit mit den Informationen, welche ihnen die Aufnahmen der CIVA- und der ROLIS-Kamera des Landers sowie die Erfahrungswerte bezüglich der Solarenergie aus dem November 2014 bieten.

„Wir gehen aber davon aus, dass die Solarpaneele von Philae durch etwas abgeschattet werden, was wir auf den bisherigen Bildern nicht sehen können“, so Dr. Koen Geurts.

Als erstes sollen deshalb immer wieder neue Kommandos an den Lander gesendet werden, welche das Heizen optimieren und den so eingesparten Energieaufwand für die Kommunikation zur Erde zur Verfügung stellen sollen. Selbst wenn Philae noch nicht genügend Energie zur Verfügung hat, um auf die Kontaktrufe des Orbiter zu antworten, könnte der Lander diese Kommandos empfangen und in die Praxis umsetzen.

Diese Prozedur wird auch als „Blindes Kommandieren“ bezeichnet und wurde zuvor an einem Bodenmodell des Landers, welches sich an dem für den Betrieb von Philae zuständigen Kontrollzentrum – dem DLR-Nutzerzentrum für Weltraumexperimente (MUSC) in Köln – befindet, ausführlich getestet. Aber auch für den Fall, dass die aufladbare Batterie von Philae die jetzt bereits mehrere Monate andauernde Kältephase nicht unbeschadet überstanden hat, wappnen sich die an der Mission beteiligten Ingenieure und Wissenschaftler.

„Wir arbeiten gerade daran, dass wir mit dem Lander und den Instrumenten dann zumindest während der Kometentage und somit bei direkter Sonnenbestrahlung arbeiten können“, so Dr. Koen Geurts weiter.

Telemetriedaten diktieren die weitere Vorgehensweise

Erst wenn Philae nicht nur aufwacht, sondern auch aktiv senden kann, wird der Kometenlander aktuelle Telemetriedaten zur Erde übermitteln, welche den beteiligten Ingenieuren einen Überblick über den gegenwärtigen ‚Gesundheitszustand‘ des Landers bieten werden.

„Diese Daten werden wir dann auswerten: Wie geht es der aufladbaren Batterie? Funktioniert noch alles am Lander? Welche Temperatur herrscht? Wieviel Energie erhält er?“, so Koen Geurts.

Abhängig von diesen Ergebnissen sind auch die weiteren wissenschaftliche Arbeiten, welche dann von Philae noch ausgeführt werden können. Kann die Batterie keine oder nur wenig Energie speichern, so bestimmt die während eines Kometentages zu gewinnende Sonnenenergie, ob man eventuell eine ‚abgespeckte‘ Version an Messungen durchführen kann. Zurzeit gehen die Wissenschaftler davon aus, dass Philae gegenwärtig während eines Kometentages etwa 1,3 Stunden lang direkt von der Sonne beleuchtet und somit auch mit Energie versorgt wird. Lädt die Batterie hingegen über einen längeren Zeitraum pro Kometentag – insgesamt dauert ein kompletter Tag-/Nachtzyklus auf 67P 12,4 Stunden – auf, dann könnte auch während der ‚Kometennacht‘ gearbeitet werden. In einem solchen Fall könnten beispielsweise auch Langzeitmessungen durchgeführt werden.

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Ein Beitrag von Roland Rischer. Quelle: ESA, DLR.

Dass es von im Weltraum positionierten Satelliten nur selten Aufnahmen gibt, werden viele Raumfahrt-Enthusiasten bedauern. Satelliten und Sonden haben oft eine filigrane Ästhetik, die mit Bildern aus der Startvorbereitungsphase am Boden kaum zu vermitteln ist. Die volle Pracht entfalten sie erst im Weltraum, richtig ausgeleuchtet vor dem Hintergrund der Erde oder sonstigen Himmelskörpern, wenn alle Solarflügel, Reflektoren und Gitterstrukturen ausgefahren sind und die Arbeit beginnt. Zu jenen Satelliten, die man gerne mal in Aktion gesehen hätte, gehört sicherlich auch GOCE (Abkürzung für Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer). In niedriger Umlaufbahn über der Erde, mit bautechnischen Zugeständnissen an die hier nicht ganz zu vernachlässigende äußert dünne Restatmosphäre und angetrieben von einem Ionentriebwerk, wirkt der Forschungssatellit auf künstlerischen Impressionen wie ein aus einem Science Fiction-Film entsprungenes Raumschiff im Anflug auf die Erde.

Einen solchen Anflug wird es aber nicht geben. Es wird nach Lage der Dinge noch nicht einmal einen halbwegs kontrollierten Absturz geben. Dem 2009 gestarteten GOCE wird voraussichtlich Mitte Oktober 2013 der Treibstoff ausgehen. Die ursprünglich vorgesehene Missionsdauer von 20 Monaten hat sich damit mehr als verdoppelt. Ohne Treibstoff kann der Satellit nicht mehr die Bremswirkung der Gasmoleküle im gegenwärtigen Arbeitsorbit in rund 230 Kilometer Höhe kompensieren. Für den Antrieb hat GOCE ein Ionen-Triebwerk an Bord, das mit Xenon arbeitet. Etwa Mitte Oktober dürfte der letzte Rest von ursprünglich 40 Kilogramm Xenon verbraucht sein. Der Satellit wird zunächst langsam seinen Orbit verlassen, mit zunehmenden Reibungswiderstand aber immer schneller sinken. Die ESA rechnet etwa drei Wochen nach dem Aus des Triebwerks mit dem Absturz.

GOCE wird zwar zum größten Teil in der Erdatmosphäre verglühen, einige Teile können jedoch die Oberfläche erreichen. Das können durchaus 25 Prozent der Satelliten-Masse von etwas über 1.000 Kilogramm sein. Wann und wo die Reste von GOCE niedergehen, kann die ESA gegenwärtig nicht voraussagen. Das wird erst kurz vor dem Wiedereintritt mit akzeptabler Fehlertoleranz möglich sein. Auch wenn die Wahrscheinlichkeit einer Gefährdung von Menschen niedrig ist, sind die nationalen Raumfahrtbehörden weltweit inzwischen über das Inter-Agency Space Debris Coordination Committee in die Beobachtung von GOCE eingebunden. Die ESA behält über ihr Space Debris Office die Federführung bei der Erstellung von Wiedereintrittsprognosen und Risikoabschätzungen für die betroffenen Regionen.

Es bleibt zu hoffen, dass das offensichtlich kaum kontrollierbare Ende von GOCE eine unspektakuläre Randnotiz in der Geschichte dieser Erfolgsmission bleibt. Der Satellit hat nicht nur ein detailgenaues Bild vom Schwerefeld der Erde geliefert. Erstmals wurde die Oberflächenzirkulation der Weltmeere mit einem einheitlichen Ansatz analysiert. Das aus GOCE-Daten errechnete Geoid, ein an eine Kartoffel erinnerndes Schwereabbild der Erde, dient unter anderem als hypothetischer Meeresspiegel im Ruhezustand. Dadurch wurden erstmals Meeresspiegeländerungen beispielsweise im Mittelmeer und vor Australien vergleichbar.

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• GOCE mit Rockot

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: EPSC 2013.

Bei einem der zehn wissenschaftlichen Instrumenten, mit denen der von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebene Marsrover Curiosity seit dem 6. August 2012 die Oberfläche unseres Nachbarplaneten erforscht, handelt es sich um das „Dynamic Albedo of Neutrons“-Instrument (kurz „DAN“). Die Aufgabe dieses Instrument besteht darin, die Menge und die Verteilung der im Marsboden befindlichen wasserstoffhaltigen Minerale zu ermitteln. Zu diesem Zwecks „beschießt“ das Instrument die Oberfläche unseres Nachbarplaneten im Rahmen einer aktiv durchzuführenden Messung mit Neutronen und ermittelt anschließend das energetische Profil der von der Oberfläche zurückgestreuten Teilchen. Im passiven Modus misst das Instrument dagegen die Reflektionen der kosmischen Strahlung, welche den gleichen Effekt auf die oberste Schicht der Marsoberfläche ausübt.

Durch einen regelmäßig erfolgenden Einsatz kann das DAN auf diese Weise auf der von dem Rover befahrenen Strecke die Veränderungen in der Menge und in der vertikalen Verteilung von Wasserstoff bis zu einer Tiefe von maximal einem Meter unter der Oberfläche mit einer Genauigkeit von bis zu 0,1 Prozent bestimmen.

Zu früheren Zeitpunkten erfolgte Messungen mit dem HEND-Spektrometer an Bord des Marsorbiters Mars Odyssey – dieses Instrument ist vom Aufbau und von der Funktionsweise her mit dem DAN vergleichbar, führt seine Messungen jedoch aus einer Höhe von etwa 300 Kilometern über der Marsoberfläche durch – führten zu dem Schluss, dass sich im Untergrund des Gale-Kraters etwa vier bis sechs Prozent Wasser befinden sollten.

In der ersten Phase der Curiosity-Mission führte das DAN-Instrument in regelmäßigen räumlichen Abständen sowohl im aktiven Modus als auch im passiven Modus mehrere tausend Messungen durch. Die bisher ausgewerteten Daten des DAN zeigen, dass der bisher passierte Bereich der Marsoberfläche zumindest bis zu einer Tiefe von etwa einem Meter deutlich „trockener“ ausfällt als erwartet. Abhängig von den passierten Bereichen liegt der Anteil an Wasserstoff laut den bisher ausgewerteten Daten bei lediglich einem bis hin zu etwa drei Prozent. Im Durchschnitt liegt der gemessene Wasseranteil bei 2,3 Prozent, in den obersten Zentimetern des Bodens sogar bei lediglich 1,3 Prozent.

Diese Diskrepanz, so die beteiligten Wissenschaftler, könnte daraus resultieren, dass das HEND-Spektrometer an Bord von Mars Odyssey seine Daten nur in einem relativ großen Areal mit einer Abmessung von 300 x 300 Kilometern sammeln kann und somit keine effiziente Auflösung einzelner, räumlich relativ eng begrenzter Oberflächenbereiche erreicht. Im Gegensatz zu Curiositys DAN-Instrument beschreiben die Ergebnisse des HEND die Wasserstoffverteilung innerhalb mehrerer Tausend Quadratkilometer. Der Rover Curiosity hat dagegen bisher nur einen Bereich der Marsoberfläche durchquert, welcher über eine Ausdehnung von wenigen hundert Metern verfügt.

Dabei liefern die Messdaten des DAN den an dieser Mission beteiligten Wissenschaftlern allerdings interessante Einblicke in den Untergrund unseres Nachbarplaneten, denn bei den Messungen von Curiosity zeigen sich neben den horizontal variierenden Mengenanteilen auch deutliche Unterschiede in der vertikalen Verteilung des Wasserstoffs. Hieraus lassen sich unter anderem auch Rückschlüsse über die unterschiedliche mineralogische Zusammensetzung der obersten Schicht der Marsoberfläche ziehen.

Auf dem Weg von der Landestelle des Rovers zur Region „Yellowknife Bay“ konnten verschiedene Bodenschichten mit unterschiedlichen Wasserstoffkonzentrationen ermittelt werden. In einigen Bereichen der passierten Oberfläche – speziell in der Umgebung der Landezone – tritt ein erhöhter Wasserstoffanteil direkt unterhalb der Oberfläche auf. In anderen Bereichen konnte Wasserstoff dagegen erst ab einer Tiefe unterhalb von 50 Zentimetern in nennenswerten Mengen nachgewiesen werden. Diese unterschiedliche Verteilung, so die bisherige Interpretation der beteiligten Wissenschaftler, könnte in der Zusammensetzung der obersten Schicht der Marsoberfläche begründet liegen, welche an manchen Stellen mehr, an anderen Orten dagegen weniger Lockermaterial beherbergt.

Besonders deutlich zeigte sich dies erstmals Anfang Oktober 2012. Mit dem Erreichen der Region „Glenelg“ geriet der Rover in eine Zone, in der die Marsoberfläche offensichtlich andere Eigenschaften aufweist. Diese Veränderungen machten sich unter anderem durch eine erhöhte thermische Trägheit bemerkbar, welche offenbar durch eine unterschiedlich bedingte Zusammensetzung und Struktur der Marsoberfläche bedingt ist. Nach dem Überschreiten dieser „Grenzlinie“ bei Glenelg detektierte ein anderes Instrument des Rovers, die Wetterstation REMS, deutlich erkennbare Veränderungen in der Oberflächentemperatur, welche sich nicht ausschließlich durch plötzlich veränderte meteorologische Umweltbedingungen erklären lässt.

Diese Veränderung der Bodenzusammensetzung wird dabei durch weitere Messungen des DAN bestätigt, welches ab hier wieder erhöhte Wasserstoffkonzentrationen in der obersten Bodenschicht nachweisen konnte. Nach dem Erreichen der Region „Yellowknife Bay“, deren Oberfläche durch an der Oberfläche zutage tretende Gesteinsaufschlüsse dominiert wird, verlagerte sich die wasserhaltige Schicht dann wieder mehr in den Untergrund.

Allgemein kann somit gesagt werden, dass der bisher untersuchte Untergrund des Gale-Kraters weniger wasserhaltige Minerale enthält als bisher angenommen. Deren Verteilung in der obersten Bodenschicht ist offenbar stark von der Zusammensetzung und Struktur des Bodens abhängig.

Es kann dabei nicht ausgeschlossen werden, dass sich diese Konzentration von Wasserstoff in anderen Bereichen des Kraters, welche noch im Rahmen der zukünftigen Mission untersucht werden müssen, nochmals signifikant verändert. Weitere, stetig erfolgende Messungen des DAN-Instrumentes sind nötig, um letztendlich eine wissenschaftlich belastbare Aussage über die großflächige Verteilung von Wasserstoff im Untergrund des Gale-Kraters tätigen zu können. Eventuell könnten sich dabei im weiteren Missionsverlauf auch noch höhere Wasserstoffkonzentrationen zeigen.

Die hier kurz dargestellten Ergebnisse des DAN-Instrumentes wurden am heutigen Tag auf dem European Planetary Science Congress 2013, einer gegenwärtig in London stattfindenden Fachtagung der Planetenforscher, vorgestellt.

Die aktuelle Situation

Während der letzten Tage hat der Marsrover Curiosity auf seiner Fahrt in Richtung des Fußes des im Inneren des Gale-Kraters gelegenen Berges Aeolis Mons weitere Fortschritte erzielt. Auf der vorgesehenen Route zum Rand des Aeolis Mons wurden von den an der Mission beteiligten Wissenschaftlern insgesamt fünf Punkte – die sogenannten „Waypoints“ – ausgewählt, an denen der Rover jeweils mehrtägige Stopps für ausführlichere wissenschaftliche Untersuchungen einlegen soll.

Bereits am Dienstag gelangte Curiosity durch eine Fahrt über rund 75 in die unmittelbare Nähe des ersten diesen Wegpunkte (Raumfahrer.net berichtete). Jetzt wird der Rover zunächst eine für eingehendere Analysen optimale Position einnehmen und anschließend mit seiner mehrtägigen Untersuchung der hier befindlichen Gesteinsaufschlüsse beginnen. Dabei werden sich die an der Mission beteiligten Wissenschaftler unter anderen auf Klasten und Konglomerate konzentrieren, welche durch fließendes Wasser in diesen Bereich des Gale-Kraters transportiert wurden.

Bis zum heutigen Tag, dem „Sol“ 392 seiner Mission, hat der Marsrover Curiosity eine Distanz von rund 2.800 Metern auf der Oberfläche unseres Nachbarplaneten zurückgelegt. Seit dem Erreichen des Mars haben die Kamerasysteme von Curiosity 81.948 Bilder aufgenommen und an das Roverkontrollzentrum des Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena/Kalifornien übermittelt. Diese Aufnahmen sind für die interessierte Öffentlichkeit auf einer speziellen Internetseite des JPL einsehbar.

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• Aktuelle Diskussion zu Curiosity

EPSC 2013:

• The water bulk distribution along MSL Curiosity traverse measured by DAN instrument (engl.)
• Mars Science Laboratory (Oral Program) (engl.)
• Mars Science Laboratory (Poster Program) (engl.)

Der Beitrag Die Verteilung von Wasserstoff im Gale-Krater erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Christian-Albrechts-Universität Kiel, DLR, JPL, Science.

Das Hauptziel der Mission des von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebenen Marsrovers Curiosity besteht darin, zu erforschen, ob auf dem Mars einstmals „lebensfreundliche“ Bedingungen herrschten, welche theoretisch die Entstehung von mikrobiologischen Lebensformen ermöglicht haben könnten und ob es eventuell sogar denkbar ist, dass die derzeit auf dem Mars vorherrschenden Umweltbedingungen auch noch in der Gegenwart die Existenz solcher Lebensformen ermöglichen könnten. Bei einem der 10 dabei zum Einsatz kommenden wissenschaftlichen Instrumente des Rovers handelt es sich um den Strahlungsdetektor RAD.

Die Aufgabe dieses unter anderem an der Christian-Albrechts-Universität in Kiel entwickelten Instrumentes besteht darin, die auf dem Mars auftretenden Strahlungswerte zu ermitteln. Im Gegensatz zur Erde verfügt der Mars über kein relevantes Magnetfeld. Dies hat zur Folge, dass die aus dem Weltall einfallende Strahlung die ungeschützte Planetenoberfläche nahezu vollständig erreicht.

Diese Strahlung besteht zum einen aus der galaktischen kosmischen Strahlung (GCR), welche ihren Ursprung außerhalb unseres Sonnensystems hat und zum Beispiel durch Sternexplosionen – sogenannte Supernovas – freigesetzt wird. Zum anderen besteht sie aus der solaren Strahlung, welche bei bestimmten physikalischen Prozessen auf der Sonne freigesetzt wird. Diese Sonnenwinde sind auf der Erde unter anderem für die Entstehung der Polarlichter verantwortlich. Des weiteren beinhaltet die den Mars treffende Strahlung eine sekundäre Strahlungskomponente, welche durch eine Wechselwirkung der galaktischen Strahlung und der solaren Strahlung mit der Marsatmosphäre und der Oberfläche des Planeten entsteht.

Messungen auf dem Weg zum Mars
Allerdings begann das RAD-Instrument nicht erst nach der erfolgreichen Landung des Rovers auf dem Mars mit seiner Arbeit. Der Strahlendetektor nahm den Betrieb vielmehr bereits kurz nach dem Start am 6. Dezember 2011 auf und war das einzige Instrument an Bord von Curiosity, welches bereits während des Fluges zum Mars wissenschaftliche Daten lieferte. Hierbei wurden bis zum 14. Juli 2012 alle 24 Stunden wissenschaftliche Daten des Instruments an das in Pasadena/Kalifornien befindliche Kontrollzentrum der Mission übermittelt. Die dabei gewonnenen Messresultate werden Auswirkungen auf die für die Zukunft geplanten Marsmissionen haben, bei denen dann auch Menschen die Oberfläche des Roten Planeten betreten werden.
Welche Strahlenbelastung wird die Besatzung eines Raumschiffs bei einem Flug zum Mars voraussichtlich ausgesetzt sein und welche Maßnahmen sind erforderlich, um diese Strahlendosis möglichst gering zu halten? Diese Fragen hoffen die Wissenschaftler mit den Daten des RAD-Instrumentes beantworten zu können.

„Das RAD ist [in der Missionsphase des Fluges zum Mars] vergleichbar mit einem Stellvertreter für einen Astronauten in einem Raumschiff auf dem Weg zum Mars“, so die Erklärung von Dr. Donald Hassler vom Southwest Research Institute (SwRI) in Boulder im US-Bundesstaat Colorado, dem für das RAD-Instrument hauptverantwortlichen Wissenschaftler. „Das Gerät befindet sich tief im Inneren der Raumsonde, vergleichbar mit der Position eines Astronauten bei einer bemannten Mission. Zu sehen, wie die Raumsonde das Strahlungsfeld beeinflusst, wird uns wichtige Informationen darüber liefern, wie man ein Raumschiff für eine zukünftige Reise zum Mars am besten konstruieren muss.“

Am gestrigen Tag gab die NASA im Rahmen einer Pressekonferenz erste Ergebnisse der Strahlungsmessungen durch das RAD-Instrument bekannt.

„Zum ersten Mal konnte damit die Strahlung im Inneren einer Raumsonde im interplanetaren Raum zwischen Erde und Mars gemessen werden“, so Dr. Günther Reitz, Wissenschaftler am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). „Bisher hatten wir nur Modellrechnungen. Nun haben wir echte Daten, welcher Strahlungsdosis ein Astronaut bei seiner Reise zum Mars ausgesetzt wäre.“

Die Messungen zeigten, dass das Instrument – und somit ein Astronaut – auf dem Weg zum Mars jeden Tag im Durchschnitt einer Strahlungsdosis von 1,8 Millisievert ausgesetzt wurde. Unter der schützenden Hülle der Erdatmosphäre beträgt die jährliche Strahlendosis durch kosmische Strahlung dagegen lediglich 0,3 Millisievert. Zusätzlich zu der permanenten galaktischen Strahlung zeichnete das Gerät während der interplanetaren Reise auch die Strahlung von fünf Sonnenstürmen auf. Diese Stürme erwiesen sich als ein Glücksfall für die beteiligten Wissenschaftler, welche somit bereits in der Flugphase zum Mars ein breites Strahlungsspektrum erfassen konnten und dadurch auch wertvolle Daten über den Einfluss von Sonnenstürmen auf die Strahlenexposition erhielten. „Wir freuen uns über jeden solaren Sturm, denn der bringt noch zusätzlich Würze in die Suppe“, so Dr. Günther Reitz.

Erkenntnisse für eine bemannte Langzeitmission zum Mars
Im Rahmen ihrer Studien berechneten die beteiligten Wissenschaftler von der NASA, dem SwRI, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Christian-Albrechts-Universität in Kiel (CAU) die Gesamtstrahlenbelastung, welcher ein Astronaut auf einer 360 Tage dauernden Hin- und Rückreise zum Mars ausgesetzt sein würde. Diese beträgt – eine vergleichbare Reisedauer, Raumschiffabschirmung und Sonnenaktivität vorausgesetzt – ungefähr 0,66 Sievert. Eine Strahlendosis von einem Sievert geht nach heutigen Erkenntnissen mit einem um fünf Prozent erhöhten Risiko für eine tödliche Krebserkrankung einher.

„Damit liegt die Belastung noch unter der Grenze von ungefähr 0,8 Sievert, der Astronauten in ihrer gesamten Laufbahn ausgesetzt sein dürfen. Bemannte Missionen sind also machbar, jedoch nicht unkritisch“, so Professor Robert Wimmer-Schweingruber von der Christian-Albrechts-Universität in Kiel, dessen Arbeitsgruppe das Messgerät baute. „Diese Strahlungsdosis ist vergleichbar mit einer Ganzkörper-CT, welche alle fünf oder sechs Tage wiederholt wird“, ergänzt Cary Zeitlin vom SwRI.

Die ermittelten 1,8 Millisievert pro Tag ergeben sich hauptsächlich durch die permanent vorhandene hochenergetische galaktische Teilchenstrahlung. Die von der Sonne ausgehende Strahlung war dagegen während des Fluges von Curiosity zu Mars für lediglich etwa drei bis fünf Prozent der gemessenen Strahlenwerte verantwortlich. Dies ist unter anderem darauf zurückzuführen, dass die Sonne während des 253 Tage dauernden Fluges zum Mars eine relativ geringe Aktivität zeigte. Bei einer bemannten Marsmission müsste zudem noch die Zeit berücksichtigt werden, welche die Astronauten auf der Marsoberfläche verbringen und während der sie ebenfalls einer erhöhten Strahlungsdosis ausgesetzt sein werden. Aber auch über diese Werte liefert das RAD-Instrument weitere Daten. Seit der Landung von Curiosity ist das Strahlungsmessgerät fast rund um die Uhr in Betrieb und ermittelt in regelmäßigen Abständen entsprechende Daten.

Die Strahlungsbelastung bei einem bemannten Flug zum Mars liegt somit nahe an den allgemein akzeptierten Grenzwerten der Raumfahrtorganisationen und entspricht in etwa der durchschnittlichen Belastung, welcher ein Mensch während seines gesamten Lebens auf der Erde ausgesetzt ist. „Die von uns gemessene Strahlenbelastung liegt an der Grenze zu dem, was bei der NASA und anderen Weltraumbehörden als die Obergrenze für ein akzeptables Risiko für Raumfahrer angesehen wird. Diese Grenzen sind jedoch abhängig von unserem Verständnis von dem mit der Exposition von kosmischen Strahlen verbundenen Gesundheitsrisiko. Und dieses Verständnis ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt immer noch ziemlich begrenzt“, so Cary Zeitlin. Vor der Durchführung einer bemannten Marsmission ist deshalb in erster Linie zunächst einmal noch ein besseres Verständnis des gesundheitlichen Risikos nötig, welches mit derart hohen Belastungen verbunden ist.

Unabhängig davon, so die allgemeine Einschätzung, müsste ein Raumschiff, welches Astronauten zum Mars transportiert, über eine entsprechende Abschirmung gegen die kosmische Strahlung verfügen. Nur so kann die Strahlenbelastung auf einen Wert gesenkt werden, welcher das gesundheitliche Risiko zukünftiger Marsbesucher minimiert. Aufgrund der Daten des RAD-Instrumentes können entsprechende Schutzmaßnahmen bei der Konstruktion des Raumschiffes, welches Menschen zum Mars transportieren wird, berücksichtigt werden.

Die hier kurz vorgestellten Ergebnisse der Strahlungsmessungen durch das RAD-Instrument wurden am heutigen Tag von Cary Zeitlin et al. unter dem Titel „Measurements of Energetic Particle Radiation in Transit to Mars on the Mars Science Laboratory“ in der Fachzeitschrift „Science“ publiziert.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist als Partner der NASA an der Curiosity-Mission beteiligt. Es förderte die Entwicklung der Sensoreinheit des RAD-Instruments an der Christian-Albrechts-Universität in Kiel und am Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin des DLR in Köln. Die Entwicklung der Sensoren erfolgte in enger Kooperation mit der in München ansässigen Firma Kayser-Threde. Die Entwicklung wurde zudem durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert. Die finanzielle Gesamtsumme des Kieler Projektes beläuft sich auf rund 1,3 Millionen Euro. Für die Entwicklung der Elektronikeinheit des RAD war dagegen das SwRI verantwortlich. Der Betrieb des Instruments erfolgt durch ein internationales Wissenschaftler-Team, an dem Mitarbeiter des DLR, der CAU und des SwRI beteiligt sind.
Bis zum heutigen Tag, dem „Sol“ 291 seiner Mission, hat der Marsrover Curiosity eine Distanz von etwa 740 Metern auf der Oberfläche unseres Nachbarplaneten zurückgelegt. In diesem Zeitraum haben die Kamerasysteme des Rovers bisher 55.197 Bilder aufgenommen und an das Roverkontrollzentrum des Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena/Kalifornien übermittelt. Diese Aufnahmen sind für die interessierte Öffentlichkeit auf einer speziellen Internetseite des JPL einsehbar.

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Fachartikel von Cary Zeitlin et al.:

• Measurements of Energetic Particle Radiation in Transit to Mars on the Mars Science Laboratory (Abstract, engl.)

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESO, Nature.

In der unmittelbaren kosmischen Nachbarschaft zu unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, befinden sich zahlreiche Zwerggalaxien, welche die deutlich größere und entsprechend massereichere Heimatgalaxie dabei teilweise umrunden. Bei einer dieser Galaxien handelt es sich um die „Große Magellansche Wolke“, welche auch unter der englischen Bezeichnung „Large Magellanic Cloud“ (LMC) bekannt ist. Mit einer visuellen Helligkeit von 0,9 mag kann sie bereits mit dem bloßen Auge beobachtet werden.

Allerdings muss sich der interessierte Betrachter dazu auf der südlichen Erdhalbkugel befinden, denn nur von dort aus können die beiden Sternbilder Schwertfisch und Tafelberg beobachtet werden. Die Große Magellansche Wolke befindet sich im Grenzbereich zwischen diesen beiden Sternbildern. Erstmals schriftlich erwähnt wurde sie im Jahr 964 von dem persischen Astronomen Al Sufi in dessen „Buch der Fixsterne“. Der erste Europäer, welcher die Wolke beschrieb, war der portugiesische Seefahrer Ferdinand Magellan, der die LMC während seiner in den Jahren 1519 bis 1521 erfolgten Weltumseglung beobachten konnte.

Die Große Magellansche Wolke erweckt auch in der Gegenwart immer noch das Interesse der Astronomen. So hat zum Beispiel während des vergangenen Jahrhunderts die Bestimmung der genauen Entfernung der LMC eine Schlüsselrolle in der extragalaktischen Astronomie eingenommen. Die dabei erreichten Messresultate unterlagen allerdings einem relativ hohen Unsicherheitsfaktor, was zur Folge hatte, dass der Wert der Entfernung zwischen dieser irregulären Zwerggalaxie und unserer Galaxie mit etwa 143.000 bis 166.000 Lichtjahren angegeben wurde.

Die Entfernungsbestimmung im Universum
Für die Bestimmung der Entfernungen von weit weg liegenden Objekten im Universum zu unserer Galaxie ermitteln Astronomen zunächst die Entfernungen zu relativ nahegelegenen Objekten, welche über eine bekannte Leuchtkraft verfügen. Diese Standardkerzen werden anschließend verwendet, um die Abstände zu noch weiter entfernten Objekten im Universum zu bestimmen. Da weiter entfernte Objekte des gleichen Typs lichtschwächer erscheinen als näher gelegene, können Astronomen durch die Messung der beobachteten Helligkeit ihre Entfernung ableiten. Beispiele für solche Standardkerzen sind unter anderem Supernovae vom Typ Ia und eine besondere Klasse der Veränderlichen Sterne.

Bei diesen sogenannten Cepheiden handelt es sich um helle, instabile Sterne, welche pulsieren und daher periodisch ihre Helligkeit verändern. Zwischen der Pulsationsdauer und der Leuchtkraft existiert ein eindeutiger Zusammenhang. Cepheiden mit einer kurzen Pulsationsdauer sind weniger leuchtkräftig als solche mit einer langen Pulsationsdauer. Diese Perioden-Leuchtkraft-Beziehung der Cepheiden ermöglicht ihre Verwendung als Standardkerzen, um die Entfernung zu nahegelegenen Galaxien zu bestimmen.

Der Helligkeitsverlust hängt dabei in bekannter Weise von der Distanz der Lichtquelle ab. Je weiter sich deren Heimatgalaxie von unserem System entfernt befindet, desto lichtschwächer erscheinen diese Cepheidensterne dem irdischen Beobachter. Die Schwierigkeit bei diesem Verfahren liegt in der genauen Kalibrierung der Entfernungsskala. Hierzu werden üblicherweise besonders nahegelegene Exemplare dieses Sternentyps noch mit zusätzliche Messmethoden vermessen.

Die gesamte Kette der kosmischen Entfernungsskala ist allerdings nur so präzise wie ihr schwächstes Glied. Bis vor kurzem ist es den Astronomen zum Beispiel nicht möglich gewesen, die Entfernung der Großen Magellanschen Wolke exakt zu bestimmen. Da die in dieser Zwerggalaxie beheimateten Sterne jedoch dazu verwendet werden, um die Entfernungen zu noch weiter entfernten Galaxien festzulegen, ist ihre exakte Entfernung von sehr großer Bedeutung für die Astronomie.

Nach fast einem Jahrzehnt intensiver Arbeit konnte ein internationales Astronomenteam jetzt mittels der sorgfältigen Analysen der Beobachtungen einer seltenen Klasse von Doppelsternen einen präzisen Wert für die Entfernung der Großen Magellanschen Wolke zur Milchstraße ermitteln. Für ihre Forschungen beobachteten die Astronomen eng beieinander stehende Doppelsterne – sogenannte bedeckungssveränderliche Sterne. Während ihres gegenseitigen Umlaufs kann beobachtet werden, wie die Sterne jeweils vor ihrem Partner vorbeiziehen. Von der Erde aus betrachtet nimmt im Rahmen dieser gegenseitigen Bedeckungen die Gesamthelligkeit des Systems in periodischen Zyklen ab und dann wieder zu.

Der exakte Verlauf der Helligkeitsveränderungen hängt von verschiedenen Faktoren ab. Durch eine sorgfältige Messung der Helligkeitskurve bei einer gleichzeitig erfolgenden Bestimmung der Umlaufgeschwindigkeit können die Größe der Sterne, deren Masse und weitere Informationen über ihre Umlaufbahnen ermittelt werden. Kombiniert man diese Informationen mit der Gesamthelligkeit und den Spektren der Sterne, welche in nahinfraroten Wellenlängenbereichen des Lichts bestimmt werden, so lässt sich die Entfernung dieser Bedeckungsveränderlichen sehr genau berechnen.

163.000 Lichtjahre

Laut der Resultate dieser Arbeit befindet sich die Große Magellansche Wolke demzufolge in einer Entfernung von 163.000 Lichtjahren.

„Ich freue mich sehr, dass uns das gelungen ist“, so Wolfgang Gieren von der Universidad de Concepción in Chile, einer der Leiter des internationalen Teams. „Einhundert Jahre lang haben Astronomen versucht, die Entfernung zur Großen Magellanschen Wolke so genau wie möglich zu messen. Es hat sich als unglaublich schwer herausgestellt. Jetzt haben wir dieses Problem endlich lösen können, und das mit einem Ergebnis, das auf zwei Prozent genau ist.“

Die für die Untersuchung verwendete Methode kam zwar bereits zuvor zum Einsatz, hatte allerdings immer nur relativ „heiße“ Sterne zum Ziel. Hierbei konnten jedoch aufgrund von Unsicherheiten bezüglich der physikalischen Natur dieser Sterne viele der benötigten Parameter nur annähernd bestimmt werden, so dass die Astronomen mit vielen nicht eindeutig bekannten Faktoren arbeiten mussten, was wiederrum zur Folge hatte, dass die Werte für die dabei ermittelte Entfernung relativ unpräzise ausfielen.

Kürzlich konnten die Astronomen jedoch erstmals acht extrem seltene bedeckungsveränderliche Doppelsysteme identifizieren, bei denen es sich bei beiden Sternen um relativ kühle Rote Riesen handelt. Diese Sterne wurden bei der Durchmusterung der rund 35 Millionen Sterne der Großen Magellanschen Wolke durch das OGLE-Projekt entdeckt und in der Folgezeit sorgfältig untersucht. Diese Doppelsternsysteme liefern besonders genaue Entfernungswerte, was eine Bestimmung der Entfernung mit einem Unsicherheitsfaktor von nur noch zwei Prozent ermöglicht.

Für ihre Untersuchungen nutzten die beteiligten Astronomen unter anderen auch mehrere Instrumente der Europäischen Südsternwarte (ESO) in den chilenischen Anden. „Die ESO hat genau die Teleskope und Instrumente, die man für dieses Projekt benötigt: Den HARPS-Spektrografen für hochpräzise Radialgeschwindigkeitsmessungen auch schwacher Sterne und SOFI für Helligkeitsmessungen im Infraroten“, so Grzegorz Pietrzyński von der Universidad de Concepción in Chile und dem polnischen Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Warszawskiego.

Noch besseren Aussagen über die kosmischen Entfernungen
Diese deutliche Verbesserung der Entfernungsangabe, frühere Messungen wiesen einen Fehlerwert von bis zu zehn Prozent auf, führt auch zu genaueren Entfernungswerten für die in der LMC beheimateten Cepheidensterne. Darauf basierend können zukünftig auch präzisere Aussagen über die Entfernungen von noch weiter entfernt gelegenen Galaxien getätigt werden. Dies wiederum hat Auswirkungen auf die Bestimmung der Hubble-Konstante, mit welcher die derzeitige Expansionsrate des Universums ermittelt wird. Die Hubble-Konstante wiederum ist die Grundlage für die Durchmusterung des Universums bis hin zu den fernsten Galaxien, welche mit den heutigen Teleskopen zu beobachten sind.

Die jetzt bekannte präzise Entfernung der Großen Magellanschen Wolke reduziert damit auch die Ungenauigkeit der derzeitigen Messungen kosmologischer Entfernungen. Dies wiederum könnte Auswirkungen auf die Erforschung der bisher nur hypothetisch angenommenen dunklen Energie haben, mit der die beobachtete beschleunigte Expansion des Universums allgemein erklärt wird.

Die hier kurz vorgestellten Ergebnisse von Grzegorz Pietrzyński et al. wurden am 7. März 2013 unter dem Titel „An eclipsing binary distance to the Large Magellanic Cloud accurate to 2 per cent“ in der Fachzeitschrift Nature publiziert. „Wir arbeiten daran, die Methode weiter zu verbessern und hoffen so, innerhalb weniger Jahre auf eine Unsicherheit von nur noch einem Prozent für die Entfernung der Großen Magellanschen Wolke zu kommen. Das hätte nicht nur weitreichende Auswirkungen für die Kosmologie, sondern für viele Bereiche der Astronomie“, so Dariusz Graczyk, der Zweitautor des Nature-Artikels.

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• Magellansche Wolken

Fachartikel von Grzegorz Pietrzyński et al.:

• An eclipsing binary distance to the Large Magellanic Cloud accurate to 2 per cent (engl.)

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Ein Beitrag von Thomas Hofstätter. Quelle: ESA. Vertont von Peter Rittinger.

Die Daten werden in Form eines Geoids dargestellt und können für verschiedenste Bereiche angewandter Wissenschaft verwendet werden. Die Bearbeitung der Rohdaten bis zu den downloadfähigen Anwenderdaten gestaltet sich relativ kompliziert.

Von GOCE werden die Daten an die Basisstationen im schwedischen Kiruna und im norwegischen Svalbard gesandt. Von dort gelangen sie unmittelbar zum European Space Operations Centre (ESOC) in Darmstadt und werden zum European Space Research Institute (ESRIN) im italienischen Frascati weitergeleitet. Dort erfolgt die Bearbeitung der Daten.

Ein „Vorprodukt“ der Bearbeitungen sind die Level-1b-Daten, die ab sofort kostenlos für nicht-kommerzielle Verwendung zur Verfügung stehen. Derzeit sind Daten vom 1. bis zum 30. November 2009 verfügbar. In den nächsten Wochen werden weitere folgen.

Später werden die Messergebnisse durch die High-level Processing Facility (HPF) zu Level-2-Daten verarbeitet. Daran nehmen gehören zahlreiche Universitäten teil. Die Daten werden schließlich beim Living Planet Symposium im norwegischen Bergen vom 28. Juni bis zum 2. Juli veröffentlicht.

Beim Living Planet Symposium der ESA werden zwei ganze Tage im Zeichen von GOCE stehen. Wissenschaftler hoffen dabei auf ein großes Comming-Out des Satelliten. Zu den Veranstaltungen zählen auch zahlreiche Vorträge über die Arbeitsmethode GOCEs.

Verwandte Websites:

• ESA Release
• Datenbank für GOCE

Raumcon:

• GOCE mit Rockot

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Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: SpaceflightNow, NASA. Vertont von Karl Urban.

Gravity Probe B (GP-B) startete am 20. April 2004 mit einem anspruchsvollen Auftrag. Die Sonde sollte zwei Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) Albert Einsteins verifizieren, wonach massereiche Körper wie die Erde die Raumzeit verzerren. Diese Vorhersage Einsteins zu beweisen, erforderte einen Satelliten mit extrem feiner Messtechnik auf einer absolut fest definierten Umlaufbahn – der Start erfolgte daher auf die Sekunde genau.

Die Aufgabe von GP-B
Die einzige Aufgabe von GP-B war es, mit Hilfe von vier Tischtennisball-großen, schnell rotierenden Gyroskopen genau zwei Effekte zu beobachten, die von der ART vorhergesagt wurden. Zum einen sollte gemessen werden, wie die Erdmasse die lokale Raumzeit verformt. Zum anderen sollte sie zeigen, inwieweit auch die die Erde umgebende Raumzeit von der Erdmasse beeinflusst wird. Die ART besagt nun, dass die Gyroskope innerhalb eines Jahres um 6,606 Bogensekunden (oder 0,0018 Grad) innerhalb der Ebene der Satellitenbahn verschoben sein müssten. Der zweite Effekt ist sogar noch deutlich schwächer: Die lokale Raumzeit im nahen Erdorbit dürfte eine Abweichung um nur 0,039 Bogensekunden (0,000011 Grad) hervorrufen – das entspricht einem menschlichen Haar, das aus einer Entfernung von 520 Metern gesehen wird. Drei Jahre nach dem Start ist es Zeit, Bilanz zu ziehen. Nach ersten Kalibrierungen begannen im August 2004 – drei Monate nach dem Start – die Messungen. Auf einer Tagung der Amerikanischen Physikalischen Gesellschaft (APS) in Jacksonville, Florida, stellte Professor Francis Everitt am vergangenen Wochenende die ersten Ergebnisse der Sonde vor. Everitt ist Principal Investigator der Mission. Die finalen Daten werden voraussichtlich im Dezember 2007 veröffentlicht.

Erste Ergebnisse
Obwohl die vorliegenden Aussagen Everitts noch nicht das endgültige Missionsergebnis widerspiegeln, klingen sie doch ausgesprochen zufriedenstellend. So konnte der erste Effekt mit einem Fehler kleiner als ein Prozent gemessen werden – im Sinne Einsteins. Allerdings ist der zweite Effekt rund 170 mal schwächer, so dass dessen einwandfreie Messung die Wissenschaftler noch vor eine Herausforderung stellt. Die Messtechnik von GP-B hat zwar eine ausreichende Auflösung, um diesen Effekt nachzuweisen – jedoch müssen äußere Faktoren (wie eigene Einflüsse der Sensoren) noch aus den aufgezeichneten Daten herausgerechnet werden.

„Wir gehen davon aus, dass noch rund acht Monate Arbeit vor uns stehen, in denen wir die Daten ausgiebig analysieren werden, um die maximale Genauigkeit zu erreichen. Da wir bereits eine Verbesserung der Genauigkeit von 0,1 auf 0,05 Bogensekunden Abweichung pro Jahr erreicht haben, gehen wir davon aus, den Schritt auf die benötigten 0,005 Bogensekunden gehen zu können“, sagt William Bencze, GP-B Programmmanager. „Das Analysieren der gesammelten Daten hat etwas von einer archäologischen Ausgrabung. Ein Wissenschaftler beginnt mit einem Bulldozer, arbeitet mit einem Spaten weiter und schließlich verwendet er eine Zahnbürste, um den Staub von der Schatztruhe zu wischen. Wir packen gerade die Zahnbürsten aus.“

Während der Auswertung der bisher gesammelten Daten machten die Wissenschaftler zwei Entdeckungen. So haben elektrostatische Ablagerungen auf der Oberfläche der Kreiselmotoren und deren Gehäusen für Abweichungen in zwei Drehparametern der Gyroskope gesorgt, die nichts mit der ART zu tun haben. Obwohl die Dicken dieser Schichten extrem gering sind, haben sie die Bewegung der Kreisel signifikant beeinflusst. Diese Effekte müssen nun möglichst minimiert werden. Beide Entdeckungen mussten nach ihrer Feststellung ausgiebig analysiert, im Computer modelliert und mit experimentellen Daten verglichen werden, bevor sie als Fehlerquelle aus den wissenschaftlichen Daten herausgerechnet werden können. Diese Arbeiten haben die Forscher bereits mehr als ein Jahr lang beschäftigt und dauern noch an.

Die Arbeit von GP-B wird also fortgesetzt und auch wenn die Mission offiziell Ende des Jahres abgeschlossen ist: Die Auswertung der Daten wird die Wissenschaftler sicher noch einige Zeit auf Trab halten. Dies ist jedoch gemessen an der gesamten Missionszeit kein Problem: Immerhin ist GP-B das am längsten laufende physikalische Forschungsprojekt der NASA. Im Jahr 1959 begonnen, wurde es ab 1964 von ihr finanziert und kostete bis heute 760 Millionen US-Dollar, die vor allem für die Entwicklung der hochtechnischen Messgeräte an Bord der Sonde aufgewendet werden mussten.

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Ein Beitrag von Karl Urban und Maria Steinrück. Quelle: SpaceflightNow. Vertont von Siegfried Krug.

Schwarze Löcher gehören zu den exotischsten astronomischen Objekten. Sie sind eigentlich ehemalige, sehr massereiche Sterne, die ihr Leben in einer Supernova ausgehaucht haben. Ihre Restmasse ist noch so groß, dass ab einer kritischen Grenze – dem Ereignishorizont – weder Materie noch elektromagnetische Strahlung (also auch Licht) entkommen kann. Ihre direkte Beobachtung ist daher auch nicht möglich. Jedoch sind die Auswirkungen auf den umgebenden Raum oft ein guter Indikator, die Eigenschaften eines Schwarzen Lochs zu erkunden.

Mit Daten des Rossi X-ray Timing Explorer-Satelliten konnten Forscher des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) die genaue Rotationsgeschwindigkeit dreier Schwarzer Löcher messen. Unter den Ergebnissen stießen die Astrophysiker auf eine Überraschung: Der Mikroquasar GRS1915+105 dreht sich 950 mal pro Sekunde um sich selbst. – Damit erreicht er die bisher angenommene Grenze für die Rotationsgeschwindigkeit.

Der Leiter des internationalen Forscherteams, der Astronom Jeffrey McClintock vom CfA, erklärt die Relevanz des Ergebnisses: „In der Astronomie lässt sich ein Schwarzes Loch über nur zwei Eigenschaften beschreiben und das sind seine Masse und die Geschwindigkeit, mit der es rotiert. Wir kennen kaum etwas anderes, das so einfach funktioniert, mit Ausnahme von Elementarteilchen wie Elektronen oder Quarks.“ Allerdings war es bisher problematisch, die Eigenrotation Schwarzer Löcher zu bestimmen.

Die Gravitation eines Schwarzen Loches ist so hoch, dass es in seiner Rotationsbewegung den umgebenden Raum dehnt, ähnlich einer schweren Kugel, die auf einem Gummituch liegt. Das untersuchte Objekt GRS 1915 gehört zu den massivsten der 20 Schwarzen Löcher, deren Masse heute bekannt ist. Es ist etwa 14 mal schwerer als unsere Sonne.

Das hier abgebildete Objekt lässt sich gut untersuchen, da es sich um ein binäres Röntgenstrahlen-System handelt. Hier umkreist ein sonnenähnlicher Stern ein Schwarzes Loch, das unablässig Gas von seinem Nachbarn abzieht. Dabei wird das beschleunigte und sich in einer Akkretions-Scheibe sammelnde Gas so heiß, dass es hochenergetische Strahlung abgibt. Das Spektrum dieser Strahlung gab dem Team im aktuellen Fall die nötigen Informationen zur Bestimmung der Rotation des Schwarzen Lochs.
Auch wenn die Ursachen der extrem schnell rotierenden Schwarzen Löcher noch nicht wirklich verstanden wurden, sind die Messwerte für die Astrophysik von großer Wichtigkeit. Unter anderem helfen sie dabei, die Entstehung von Gamma Ray Bursts zu verstehen. Diese Ausbrüche extrem energiereicher Gammastrahlung, die regelmäßig für kurze Augenblicke irgendwo im Universum aufleuchten, sind ein weiteres aktives Forschungsfeld. Ein Modell des theoretischen Astrophysikers Stan Woosley von der Universität Kalifornien erklärt sie mit dem Kollaps extrem massereicher Sterne. Dieses Modell geht davon aus, dass Schwarze Löcher mit einer sehr hohen Eigenrotation existieren müssten. Dies scheint also der Fall zu sein.

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