Die Raumsonde Galileo am Jupiter

Schon im Altertum war der Jupiter einer von damals 5 bekannten Planeten, da er durch seine große Helligkeit ohne weiteres mit bloßem Auge beobachtet werden konnte. Jupiter ist der größte und mit Abstand massereichste Planet des Sonnensystems. Als Galileo Galilei in der Nacht vom 10.1. zum 11.1. 1610 erstmals mit seinem Fernrohr den Jupiter beobachtete, entdeckte er dicht neben dem Jupiter, in einer Reihe drei (später vier) bis dahin unbekannte kosmische Objekte. Bei diesen handelte es sich, wie er später selbst feststellte, um Monde des Jupiter. Damals war die Entdeckung der Jupitermonde ein Indiz für das Heliozentrische Weltsystem, weil der Jupiter mit seinen Monden ein Sonnensystem im Kleinen darstellt.

Jupiterforschung durch Raumsonden

Der Jupiter wurde bisher von 6 Raumsonden aus der Nähe erforscht, die siebente wird demnächst gestartet. Die erste Raumsonde in der Nähe des Jupiter war Pioneer 10. Pioneer 10 wurde am 2.3.1972 gestartet, und flog am 3.12.1973 am Jupiter vorbei. Pioneer 11 (Pioneer Saturn) war eine baugleiche Raumsonde, Pioneer 11 passierte den Jupiter am 2.12.1974 und flog anschließend zum Saturn weiter. Die beiden Pioneer Raumsonden waren im Vergleich zu den späteren Rauflugkörpern relativ leicht und das Kamerasystem war nicht besonders leistungsfähig. Dennoch konnten mit diesen beiden Sonden Erkenntnisse gewonnen werden, die durch erdgebundene Beobachtungsinstumente nicht möglich gewesen wären. Am 20.8.1977 wurde Voyager 2 gestartet, um die "grand tour" zu fliegen (Vorbeiflug an allen vier großen Planeten des Sonnensystems), am 5.9.77 folgte Voyager 1. Voyager 1 passierte den Jupiter am 5.3.1979 in 348890 km Abstand vom Planetenzentrum und kam einige Stunden später der Io bis auf 20500 km nahe, anschließend flog die Sonde zum Saturn und dessen Mond Titan weiter. Die Sonde Voyager 2 passierte den Jupiter am 10.7.79 und absolvierte danach das restliche Programm der "grand tour". Die Raumsonden Voyager 1 und Voyager 2 sind ebenfalls baugleich, sie sind wesentlich leistungsfähiger als die vorhergehenden Pioneer Raumsonden. Die wissenschaftlichen Ergebnisse die durch diese beiden Raumsonden gewonnen wurden waren lange Zeit unübertroffen, besonders beeindruckend sind die Bilder von Jupiter und den vier Galileischen Jupitermonden. Die Raumsonde Ulysses passierte auf ihrem Flug über die Pole der Sonne ebenfalls den Jupiter. Start der Sonde war im Oktober 1990, der Vorbeiflug am Jupiter im Februar 1992. Die leistungsfähigste Raumsonde die bisher den Jupiter erreichte ist die Raumsonde Galileo, im Unterschied zu allen vorhergehenden Raumsonden flog Galileo nicht einfach am Jupiter vorbei, sondern schwenkte auf eine elliptische Umlaufbahn um den Planeten ein.

Die Raumsonde Galileo

Die Jupitersonde Galileo wurde am 18.10.1989 mit der Raumfähre Atlantis zunächst in eine Erdumlaufbahn transportiert, und von dort mit einer weiteren Antriebsstufe auf eine komplizierte Reise zum Jupiter geschickt. Da die Antriebsleistung nicht ausreichte, um die mehr als 2,5 Tonnen schwere Sonde auf ihren Kurs zum Jupiter zu bringen, mußte Galileo zunächst bei Vorbeiflügen an Venus und Erde genügend Schwung holen. Auf der Übergangsbahn zum Jupiter ergab sich die Möglichkeit die Planetoiden "Gaspra" und "Ida" aus dem Bereich des Asteroidengürtels aus der Nähe zu erforschen. Am 13.7.1995, etwa fünf Monate vor der Ankunft am Jupiter, stieß Galileo die mitgeführte Atmosphären-Eintrittskapsel ab, die dann in die Gashülle des Riesenplaneten eintauchte, und dort kurzzeitig die chemische Zusammensetzung der Jupiteratmosphäre untersuchte. Die wissenschaftlichen Nutzlasten umfassen zum einen Instrumente zur Untersuchung der Jupiteratmosphäre (Druck, Dichte, Temperatur und molekulare Zusammensetzung), zur Messung des Wasserstoff-Helium-Verhältnisses und zum Nachweis von Blitzen und energiereichen Teilchen, zum anderen eine Kamera, Infrarot und Ultraviolettspektrometer und Geräte zur Messung von Magnetfeldern, energiereichen Teilchen sowie Staub- und Plasmapartikeln. Darüber hinaus erlauben Frequenz- und Intensitätsänderungen des Funksignals Rückschlüsse auf die Struktur der Jupiteratmosphäre. Die Kamera an Bord der Galileo-Sonde, das sogenannte SSI-Experiment (Solid State Imaging), arbeitet mit einem CCD-Chip. Der CCD-Chip an Bord der Galileo Sonde hat eine Auflösung von 800x800 Bildpunkten. Gemeinsam mit einer Teleoptik von 1500 mm Brennweite und 176,5 mm Öffnung kann sie detailreiche Bilder der Oberflächen der Monde und der Wolkenstruktur des Jupiter liefern, dabei hängt das eigentliche Auflösungsvermögen vom jeweiligen Abstand zum Mond oder Planeten ab. Ein Teil der Bilder läßt Einzelheiten von 100 bis 200 Metern Größe erkennen. Leider blieb auch die Galileo Mission nicht von Pannen verschont, so traten Probleme mit der Antenne für den hohen Datentransfer und bei der Zwischenspeicherung der gewonnenen Daten auf. Trotzdem überzeugen die gewonnenen Daten von der Leistungsfähigkeit der Raumsonde. Die Galileo-Mission war ursprünglich bis Ende 1997 geplant, aber aufgrund der gewonnenen Daten, aber auch durch die langsameren Datentransferraten wurde die Mission um zwei Jahre verlängert.

Übergangsbahn zum Jupiter128kB

Die Übergangsbahn der Raumsonde Galileo von der Erde zum Jupiter.
Galileo wurde am 18. Oktober 1989 gestartet, dann folgte ein "swing by" Manöver an der Venus. Am 8. Dezember 1990 erfolgte der erste Vorbeiflug an der Erde, anschließend flog die Sonde nahe am Asteroiden Gaspra vorbei, um am 8. Dezember bei einem zweiten Vorbeiflug an der Erde letztmalig Schwung zu holen. Auf der endgültigen Übergangsbahn zum Jupiter flog Galileo nahe am Asteroiden Ida und dessen Begleiter Dyactryl vorbei. Das Ziel der langen Reise, der Jupiter, wurde schließlich am 7. Dezember 1995 erreicht.



Aktueller Erkentnisstand der Jupiterforschung

Der Jupiter ist der größte und massereichste Planet im Sonnensystem, sein Durchmesser ist etwa 11 mal so groß wie der Erddurchmesser, sein Volumen nach r1³:r2³ ist 1400 mal so groß wie das Volumen der Erde, seine Masse aber nur 318 mal so groß. Seine durchschnittliche Dichte entspricht etwa der von Wasser. Daraus und aus dem, was an der Wolkenoberfläche beobachtet werden kann, können Schlußfolgerungen auf seine chemische Zusammensetzung gezogen werden. Im Unterschied zu den erdähnlichen Planeten und den größeren Planetenmonden besteht der Jupiter, als Prototyp aller Gasplaneten, hauptsächlich aus Gas: Wasserstoff, Helium und Methan. Im Planeteninneren wird ein Gesteinskern vermutet, ein Vordingen bis dahin dürfte aber nahezu unmöglich sein, da der Druck der Gashülle so groß ist, daß selbst Wasserstoff metallisch wird. Der Übergang vom gasförmigen Teil zum flüssigen Teil ist ebenso fließend, wie der vom flüssigen Teil zum festen Teil des Jupiter, so daß keine feste Oberfläche wie bei den erdähnlichen Körpern definierbar ist. Jupiter läßt in seiner Wolkenoberfläche zahlreiche kontrastreiche Einzelheiten erkennen, besonders zu erwähnen sind hier die parallel zum Äquator verlaufenden Bänder und der "Große Rote Fleck" in der Jupiteratmosphäre, Einzelheiten die schon Galilei erkannte, und die über den Zeitraum von Jahrhunderten relativ stabil sind. Darüber hinaus wurden durch die Raumsonden viele kleinere ähnliche Strukturen entdeckt, die aber meistens nicht so stabil sind, all diese Strukturen entstehen durch Stürme von unvorstellbarer Stärke. Der Jupiter besitzt ein sehr starkes Magnetfeld, die Feldstärke an der Oberfläche ist etwa 10 mal so groß wie Feldstärke des irdischen Magnetfeldes.

Jupiter und Raumsonde Galileo In dieser Fotomontage sind der Jupiter und die Raumsonde Galileo zu sehen. Auf dem Jupiter sind die Bänder und der Große Rote Fleck zu sehen. An der Raumsonde Galileo sind folgende Einzelheiten zu erkennen: der Magnetfeldsensor (langer Ausleger), die Radioisotopenbaterien (zwei identische kürzere Ausleger, und die Antenne für den hohen Datentransfer (high gain antenna).


Planet Entfernung von der Sonne in AE Umlaufzeit um die Sonne Durchmesser am Äquator in km Masse in Erdmassen
Erde 1 1a 12756 1
Jupiter 5,203 11a863 142796 317,828
Saturn 9,529 29a414 120000 95,159
Uranus 19,187 84a044 50800 14,536
Neptun 30,088 165a04 50590 17,204
Tab. 1 Ausgewählte Daten der jupiterähnlichen Planeten im Vergleich zur Erde

Die vier Galileischen Jupitermonde

Die vier großen Jupitermonde sind den erdähnlichen Planeten ähnlich, sie haben alle eine kugelähnliche Gestalt mit einer festen Oberfläche, ihre Oberflächenstrukturen sind aber recht unterschiedlich und einzigartig. Wie in der Tabelle 2 zu sehen ist, gibt es im Bereich von 3000 km bis 6800 km Durchmesser recht viele Himmelskörper, typische Vertreter dieser Klasse sind die vier Galileischen Jupitermonde: Io, Europa, Ganymed und Kallisto. Alle vier haben eine gebunden Rotation, sie zeigen dem Jupiter immer die selbe Seite.

Himmelskörper Durchmesser in km Masse in Erdmassen Dichte g/cm³ Art des Himmelskörpers
Erde 12756 1 5,52 Planet
Venus 12102 0,815 5,24 Planet
Mars 6787 0,1074 3,93 Planet
Ganymed 5276 0,025 1,93 Mond des Jupiter
Titan 5150 0,021 1,88 Mond des Saturn
Merkur 4878 0,0553 5,43 Planet
Kallisto 4848 0,0178 1,79 Mond des Jupiter
Io 3638 0,0149 3,53 Mond des Jupiter
Mond 3476 0,0123 3,34 Mond der Erde
Europa 3126 0,0081 3,03 Mond des Jupiter
Triton 2705 0,0036 2,07 Mond des Neptun
Pluto 2200 0,002 2,05 Planet
Tab. 2 Die größten kugelförmigen Körper mit fester Oberfläche im Sonnensystem

Die vier Galileischen Jupitermonde
Von links beginnend: Io, Europa, Ganymed und Kallisto


Io

Die Io befindet sich am nächsten am Jupiter. Es ist der vulkanisch aktivste Körper im Sonnensystem, beim Vorbeiflug der beiden Voyager Raumsonden wurden mehr als ein halbes Duzend aktiver Vulkane gefunden. Die Oberfläche der Io besteht hauptsächlich aus Schwefel und Schwefelverbindungen. Auf Io gibt es kältere und wärmere Gebiete (Vulkane), da Schwefel die Eigenschaft hat bei unterschiedlichen Temperaturen verschiedene Farben zu zeigen, sind auf Io die Farben gelb, rot und schwarz (heiß) zu sehen. Io gehört zu den wenigen Monden, die eine Atmosphäre haben, diese ist aber sehr dünn und flüchtig, sie wird von den vielen aktiven Vulkanen gespeist.

Jupitermond Io, Aufnahme Galileo41kB Dieses Farbbild wurde von Galileo während der neunten Jupiterumrundung aufgenommen, es sind zwei aktive Vulkane zu sehen. Der Vulkan der an Io's Rand zu sehen ist (oberes Kästchen) nennt sich Pillan Patera,der Auswurf ist 140km hoch. Der zweite Vulkan (an der Tag Nacht Grenze) nennt sich Prometheus, der Schatten des 45km hohen Auswurfs ist rechts sichtbar. Prometheus war bereits beim Vorbeiflug der Raumsonden aktiv, es ist warscheinlich, daß er 18 Jahre lang durchgehend aktiv war. Die Auflösung auf diesem Bild beträgt 6km, Galileo nahm dieses Bild aus 600000km Entfernug auf.


Europa

Europa ist der zweite Galileische Jupitermond, er ist der Kleinste von ihnen und der mit der höchsten Albedo (Reflexionsgrad). Nach den Vorbeiflügen der Voyager Sonden galt Europa als der Himmelskörper mit der ebensten Oberfläche im Sonnensystem, es wurden keine Höhenunterschiede gefunden die höher als 500 m sind. Auf den Bildern die Galileo liefert ist nun zu sehen, daß es doch Höhenunterschiede gibt. Europa ist von einem dicken Eispanzer umgeben, der von langen Spalten und Rissen durchzogen ist. Es sind fast keine Einschlagskrater zu sehen, das läßt vermuten, daß die Oberfläche sehr jung und Europa tektonisch aktiv ist. Auf Bildern die Galileo geliefert hat sind Strukturen zu sehen die darauf hindeuten, daß es unter diesem Eispanzer flüssiges Wasser gibt, eine der Grundvorrausetzungen für die Entstehung und Existenz von Leben. Somit ist Europa einer der Kandidaten in unserem Sonnensystem auf dem die Bedingungen für die Entstehung von Leben vorhanden sein könnten.

Jupitermond Europa, Aufnahme Galileo113kB Auf diesem Bild ist einer von sehr wenigen Einschlagskratern auf Europa zu sehen, der Krater hat einen Durchmesser von 140km. Die Oberfläche besteht warscheinlich aus verunreinigtem Wassereis. Das Bild wurde aus drei Einzelbildern zusammen gesetzt, es wurde am 4. April 1997 aufgenommen. Ein Pixelelement der CCD Kamera entspricht einer Entfernung von 595 Metern.


Ganymed

Ganymed ist der größte Planetenmond im Sonnensystem. Ganymed hat wie Kallisto eine relativ gerige Dichte, d.h. er ist aus leichteren Elementen aufgebaut, Hauptbestandteile sind Eis und ein Kern aus Silikatgestein.

Kallisto

Kallisto ist am weitesten vom Jupiter entfernt, sie hat sehr viele Einschlagskrater u.a. das riesige Einschlagbecken Valhalla, es ist eines von drei Einschlagbecken im Sonnensystem die einen Durchmesser von mehr als 1000 km haben (Merkur: Caloris Becken, Mond: Oceanus Procellarum). Die vielen Einschlagkrater legen den Rückschluß nahe, daß die geologischen Aktivitäten schon vor sehr langer Zeit zum erliegen gekommen sind, und daß die Oberflächenstrukturen sehr alt sind.

Weitere Jupitermonde und Jupiterring

Neben diesen vier sehr großen Monden hat Jupiter noch viele kleinere, unregelmäßig geformte Monde. Die Anzahl der bekannten Jupitermonde wird zur Zeit mit 16 angegeben. Damit ist Jupiter nach Saturn der Planet mit den meisten Monden. Die anderen Monde sind wesentlich kleiner und erinnern in ihrer Form an Asteroiden und die beiden Marsmonde Phobos und Deimos. Jupiter hat wie alle anderen Gasplaneten einen Ring, dieser ist aber wesentlich schwächer als der Saturnring, und ist von der Erde aus nicht zu sehen. Der Jupiterring wurde nach dem Vorbeiflug der Voyager Raumsonden entdeckt.

Jupiterbeobachtung mit Fernrohren

Galileo Galilei entdeckte die vier nach ihm benannten Jupitermonde mit einem, nach heutigen Verhältnissen, sehr einfachen Teleskop. Es ist heutzutage ohne weiters möglich mit einfachen Amateurteleskopen die vier Galileischen Jupitermonde und grobe Strukturen auf Jupiter zu beobachten. Jupiter ist zur Zeit besonders günstig zu beobachten, er ist die hellste Erscheinung am Sternhimmel und noch bis Ende des Jahres am Südhimmel zu sehen.


Quellen:

Autor: Armin Scheibe, Jena den 15. September 1997
email: Armin34keinSPAM@gmx.de entferne "keinSPAM" (remove "keinSPAM")