Jubiläum: 10 Jahre Cassini-Huygens am Saturn

10 Jahre am Saturn
10 Jahre am Saturn

Genau vor 10 Jahren, am 1. Juli 2004, erreichte Cassini-Huygens den Saturn. Mit Hilfe einer 90 Minuten dauernden Zündung des bordeigenen Raketentriebwerks lenkten die Ingenieure des Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena (Kalifornien) das 6 Tonnen schwere Raumsondengespann in eine Umlaufbahn um den Ringplaneten. Während die Huygens-Sonde der Europäischen Weltraumagentur ESA schon bald darauf, im Dezember 2004, für eine Mission am Riesenmond Titan abgekoppelt wurde, umkreist die Cassini-Sonde den zweitgrößten Planeten unseres Sonnensystems bis heute auf unterschiedlichsten Bahnen und beobachtet den Planeten, die Ringe, die Monde und die Magnetosphäre mit zahlreichen Kameras, RADAR, Radiowellen-Experimenten sowie Felder- und Partikel-Messinstrumenten. Bereits für ein Drittel des 29,5-Erdenjahre währenden "Saturn-Jahres" begleitet Cassini inzwischen den Saturn auf seiner Bahn um die Sonne.


Saturn (Durchmesser am Äquator: 120.000 Kilometer) und seine größten Monde (nicht maßstabsgerechte Darstellung).
Quelle: FU Berlin/NASA/JPL/SSI

   

Die Freie Universität Berlin ist seit Beginn der Mission über eine persönliche Mitgliedschaft von Professor Gerhard Neukum im Kamera-Team (Imaging Team) und von Professor Ralf Jaumann im Team des VIMS-Spektrometers beteiligt. Seit Beginn dieses Jahres ist zudem Tilmann Denk, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Geologische Wissenschaften, Fachrichtung Planetologie und Fernerkundung, als "Participating Scientist" direkt an der Mission beteiligt. Die Aufgaben unserer Fachrichtung umfassen nicht nur die Auswertung der Kameradaten, sondern auch erhebliche Teile der Beobachtungskonzeption und Beobachtungsplanung der Monde des Saturn, insbesondere der Monde Iapetus, Dione und Rhea sowie der 38 äußeren Saturnmonde. Die Beobachtungsplanung erfolgt in Zusammenarbeit mit dem DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin, dem Space Science Institute (SSI) in Boulder, Colorado, und dem Jet Propulsion Laboratory (JPL).

   

10 Jahre in der Nähe des Ringplaneten lieferten eine immense Fülle an neuen Informationen über das Saturnsystem. Erwartungsgemäß konnten viele alte Fragen gelöst werden, und neue kamen hinzu. Beispielsweise war der extreme Hell-Dunkel-Kontrast auf der Oberfläche des großen Mondes Iapetus seit über 300 Jahren bekannt, nicht aber die Ursache für dieses im Sonnensystem einzigartige Phänomen. Daten eines der Infrarotspektrometer sowie von unserer Fachrichtung geplante Bildaufnahmen lieferten dann genügend Informationen, um das Puzzle zusammenzusetzen. Auch wurden viele Fragen zu Oberflächenprozessen und geologischen Abläufen auf den Monden Dione und Rhea gelöst, die von früheren Raumsondenmissionen aufgeworfen worden waren. Die äußeren Monde werden von uns gegenwärtig intensiv beobachtet, und von 20 der 38 bekannten Objekte konnten bereits die Rotationsperioden bestimmt werden. An Phoebe, dem größten der äußeren Monde, gelang beim Anflug auf Saturn ein gezielter Vorbeiflug.

    


Bis zu 15 Kilometer hohe Bergmassive wurden am Äquator des Mondes Iapetus entdeckt. Der hier gezeigte Berg erhielt den Namen Valterne Mons.
Quelle: FU Berlin

Der starke Kontrast zwischen hellem und dunklem Material wird auf dem Mond Iapetus auch in hochaufgelösten Bildern deutlich. Der Krater Samson, nahe der Bildmitte, besitzt einen Durchmesser von 33 Kilometern.
Quelle: FU Berlin

Die kraterübersäte Oberfläche von Dione (Durchmesser 1123 km) mit dem hellen Strahlenkrater Creusa.
Quelle: FU Berlin

Der 47 Kilometer große Strahlenkrater Inktomi ist eine der jüngsten geologischen Strukturen auf dem Mond Rhea (Durchmesser 1527 Kilometer).
Quelle: FU Berlin/DLR/NASA/JPL/SSI

      

An der Oberfläche des Mondes Enceladus wurden zahlreiche Wassereis-Eruptionsfontänen entdeckt. Dieses bislang einzigartige Phänomen im Sonnensystem überrascht umso mehr, weil Enceladus gerade mal 500 Kilometer groß ist. An der Entdeckung im Jahr 2005 waren fast alle wissenschaftlichen Geräte auf Cassini beteiligt, was auch klar die Vorteile einer großen Mission, die mit vielen verschiedenen Messinstrumenten ausgerüstet ist, aufzeigte. Inzwischen ist so gut wie sicher, dass sich unter der Eiskruste von Enceladus ein Salzwasserozean befindet, der einen potenziellen Ort für extraterrestrische Lebensformen darstellt. Bei 11 der bislang 19 gezielten Enceladus-Vorbeiflüge kam Cassini auf weniger als 100 Kilometer an die Oberfläche heran.

  


Eruptionsfontänen am Südpol des Mondes Enceladus.
Quelle: NASA/JPL/SSI/FU Berlin (Originalbild hier)

      

Titan ist mit 5150 Kilometer Durchmesser der größte Mond des Saturn und der einzige Mond im Sonnensystem mit einer dichten Atmosphäre, die im wesentlichen aus Stickstoff besteht. Der Besuch der Huygens-Sonde am 14. Januar 2005 war die erste und bislang einzige Landung auf einem Himmelskörper im äußeren Sonnensystem. Cassini entdeckte Flüssigkeiten auf der Oberfläche – bei -180°C ist es allerdings nicht Wasser, das auf Titan fließt, sondern flüssiges Methan (CH4) und Ethan (C2H6). Diese Kohlenwasserstoffe sammeln sich insbesondere in großen Seen nahe des Nordpols von Titan. Der größte See erhielt den Namen Kraken Mare, und mit einer Fläche von etwa 400.000 Quadratkilometer ist er etwa so groß wie das Kaspische Meer oder 750 Mal größer als der Bodensee oder 50.000 Mal größer als der Müggelsee in Berlin (etwa 4,3 km x 2,6 km). Ein kleinerer Methansee, der sich bei 84° nördlicher Breite und 204° westlicher Länge auf Titan befindet, wurde übrigens Müggel Lacus getauft. Mit einem Durchmesser von etwa 170 Kilometer ist Müggel Lacus sogar deutlich größer als das Original auf der Erde.

  


Die Nordhemisphäre des großen Mondes Titan. Durch die Atmosphäre hindurch sind dunkle Flecken zu erkennen, die große Methan-Seenlandschaft auf Titan.
Quelle: NASA/JPL/SSI/FU Berlin (Originalbild hier)

Karte der Nordpolar-Hemisphäre des Mondes Titan, erstellt aus RADAR- und Bilddaten.
Quelle: NASA/JPL/ASI/USGS/FU Berlin (Originalbild hier)

      

Die Saturnringe entpuppten sich als äußerst komplexe Gebilde. Unerwarteterweise sind sie nicht ganz flach, sondern es wurden auch erhebliche vertikale Strukturen beobachtet, wie beispielsweise sich zu einem Kilometer Höhe auftürmende Ringpartikel an der Innenkante der sogenannten Cassinischen Teilung, welche den A-Ring vom B-Ring trennt. Im Jahr 2009, als die Sonne genau auf die Kante der Ringe scheinte, zeigten sich große Schatten auf den Aufnahmen.

  


Am Übergang zwischen dem B-Ring und der Cassinischen Teilung türmen sich die Ringpartikel zu einen Kilometer hohen Gebirgen auf.
Quelle: NASA/JPL/SSI/FU Berlin (Originalbild hier)

      

Saturns Atmosphäre wurde ebenfalls intensiv erforscht. Ende 2010 erschien auf der Nordhemisphäre ein gigantischer Sturm, der sich erst etwa ein dreiviertel Jahr später auflöste, als die Wirbel an der Spitze des Sturmes das Ende von hinten einholten. Eine weitere Entdeckung war der jahreszeitliche Farbwechsel der Atmosphäre in höheren Breiten, die im Winter bläulich und im Sommer sandfarben erscheinen. Das Bildmosaik von Saturn und seinen Ringen mit der besten Auflösung, das jemals aufgenommen wurde, stammt vom Oktober 2004 und wurde ebenfalls von unserer Fachrichtung geplant.

  


Durch Entstehung von Smog und Aufklaren der Atmosphäre entsteht ein jahreszeitlicher Farbwechsel in der Atmosphäre des Saturn.
Quelle: FU Berlin/NASA/JPL/SSI

      

Im Verlauf der zehnjährigen Forschungsreise am Saturn wurden von der Cassini-Sonde 2 Millionen Kommandos ausgeführt, über 3 Milliarden Kilometer zurückgelegt, 332000 Bilder aufgenommen, 514 Gigabytes an Daten zur Erde übertragen, 206 Saturnumkreisungen, 132 gezielte Vorbeiflüge an Saturnmonden und 291 Orbit-Korrekturmanöver durchgeführt sowie 7 kleine Monde entdeckt.

  


Sechs der sieben kleinen Monde, die von der Cassini-Sonde entdeckt wurden.
Quelle: FU Berlin

      

Trotz ihres hohen Alters (gestartet im Oktober 1997) befindet sich die Cassini-Sonde in einem sehr guten technischen Zustand, und den 10 Forschungsjahren am Saturn sollen noch drei weitere folgen. Im Jahr 2015 werden noch einmal die großen Monde im Mittelpunkt der Beobachtungsaktivitäten stehen. Die beiden letzten Vorbeiflüge am Mond Titan erfolgen dann im November 2016 und im April 2017. In dieser Phase der Mission, dem "Cassini grand finale", wird Cassini noch einmal etwas völlig neues wagen: Der letzte Titan-Vorbeiflug ändert die Bahn so, dass der saturnnächste Punkt nicht mehr außerhalb des Ringsystems liegt, sondern zwischen den Ringen und der Saturnatmosphäre hindurchführt. Diesen nur wenige Tausend Kilometer breiten Korridor wird Cassini 22 Mal durchkreuzen. Mit Hilfe der Daten aus dieser Missionsphase sollen weitere fundamentale Fragen geklärt werden wie diejenige nach der Masse der Ringe, der genauen Zusammensetzung der Saturn-Atmosphäre, Feinstrukturen in den Wolken auf Saturn, der (extrem geringen) Abweichung des Magnetfeldes gegenüber der Rotationsachse, dem inneren Aufbau des Planeten und seiner exakten Rotationsperiode. Außerdem sind erstmals RADAR-Beobachtungen der Ringe geplant. Die Mission endet schließlich nach 294 Saturnumkreisungen am 15. September 2017 um 12:57 Uhr MESZ Raumsondenzeit, wenn Cassini in der Atmosphäre des Saturn verglühen wird. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Signallaufzeit zwischen Saturn und Erde 83,5 Minuten, so dass das letzte Signal von Cassini die Erde am selben Tag gegen 14:20 Uhr MESZ erreichen wird. Zu diesem Zeitpunkt steht Saturn 30° über dem Horizont für die Empfangsstation in Canberra, Australien.

  


Flugbahn von Cassini zwischen November 2016 und September 2017. Die Mission endet mit einem Impakt in der Saturnatmosphäre.
Quelle: NASA/JPL/FU Berlin