Raumsonde Cassini: Der Saturn-Umlauf Nummer 200

In den Morgenstunden des 7. November beginnt für die Raumsonde Cassini der mittlerweile 200. 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 1. Dezember geplanter dichter Vorbeiflug der Raumsonde an dem Saturnmond Titan.

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

Am 7. November 2013 wird die Raumsonde Cassini um 07:31 MEZ 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 befindet sich die Raumsonde in einer Entfernung von rund 3,81 Millionen Kilometern zu der obersten Wolkenschicht des Saturn und beginnt damit zugleich ihren mittlerweile 200. Umlauf um den Ringplaneten. Aktuell weist die Flugbahn von Cassini eine Inklination von 49,7 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 40 Tage andauernden Umlaufs – dieser trägt die Bezeichnung „Rev 199“ – insgesamt 37 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 am 1. Dezember erfolgender gesteuerter Vorbeiflug am größten der derzeit 62 bekannten Saturnmonde, dem 5.150 Kilometer durchmessenden Mond Titan dar.

Sonnenkonjunktion
Cassini beginnt den neuen Saturnumlauf am Ende der diesjährigen „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 gesendet werden, zu sehr stört. Aufgrund der dadurch bedingten Begrenzung der Datenübertragungsraten wird die Raumsonde Cassini in diesem Zeitraum keine wissenschaftlichen Untersuchungen im Bereich des Saturnsystems vornehmen.

Die erste Beobachtungskampagne der ISS-Kamera wird am 9. November den kleinen, äußeren Saturnmond Skoll zum Ziel haben. Außer den Daten von dessen Umlaufbahn um den Saturn und seinem Durchmesser von lediglich rund sechs Kilometern ist über diesen erst im Jahr 2006 entdeckten Mond bisher nur sehr wenig bekannt. Die ISS-Kamera soll Skoll am 9. November über einen Zeitraum von mehreren Stunden aus einer Distanz von rund 11,5 Millionen Kilometern wiederholt abbilden. Anhand der Variationen in der sich bei dieser Beobachtungssequenz ergebenden Lichtkurve und einem Abgleich mit früheren Beobachtungen sollen die Helligkeitsvariationen auf dessen Oberfläche und die sich daraus ergebende Rotationsperiode dieses Mondes bestimmt werden.

Die Speichen im B-Ring
Zwischen dem 11. und dem 18. November sind vier Beobachtungskampagnen vorgesehen, welche Teile des B-Ringes des Saturn zum Ziel haben werden. Aus den Aufnahmen der WAC-Kamera sollen anschließend kurze Videosequenzen erzeugt werden, auf denen die Speichenformationen im B-Ring erkennbar sind. 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.

Auch für die Entstehung dieser elektrischen Aufladungen gibt es einen Erklärungsansatz. In der Saturnatmosphäre auftretende Gewitter ziehen demzufolge zumindest zeitweise nach außen gerichtete elektrische Entladungen nach sich, welche dabei zehntausendfach stärker ausfallen als die bei irdischen Gewittern auftretenden Blitze. Zu solchen nach außen gerichteten Entladungen – so genannten Sprites – kommt es gelegentlich auch bei irdischen Gewittern. 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.

Monde, Ringe und eine Sternbedeckung
Am 22. und 23. November steht dann schließlich der Titan auf dem Beobachtungsprogramm der Raumsonde. Aus einer Entfernung von über 2,3 Millionen Kilometern soll dessen Atmosphäre abgebildet werden. Das Interesse der an der Mission beteiligten Wissenschaftler wird sich dabei auf die Verteilung von Wolkenstrukturen und die verschiedenen in der Titanatmosphäre befindlichen Dunstschichten richten. Durch die Beobachtung von markanten Wolkenformationen in den Titan-Atmosphäre lassen sich zum Beispiel Aussagen über die dort gegenwärtig vorherrschenden Windrichtungen und Windgeschwindigkeiten tätigen.

Ebenfalls am 23. November 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. Vergleichbare Kampagnen werden zusätzlich am 28. November und am 3. Dezember erfolgen.

Direkt im Anschluss an die erste astrometrische Beobachtungskampagne steht eine Sternbedeckung auf dem Beobachtungsprogramm von Cassini, wobei neben der ISS-Kamera auch 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 Ringsystems 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.

Am 25. November soll die ISS-Kamera auf die im A-Ring des Saturn gelegene Encke-Teilung gerichtet werden, welche durch die gravitativen Einflüsse des als „Schäfermond“ fungierenden Saturnmondes Pan stabilisiert wird. Am 27. und 28. November wird die ISS-Kamera zusammen mit dem VIMS-Spektrometer die nördliche Hemisphäre des Saturn abbilden. Das primäre Ziel dieser Aufnahmen besteht in der Abbildung des direkt über dem Nordpol gelegenen Nordpol-Hexagons. Außerdem sollen markante Wolkenformationen und kleinere Sturmgebiete dokumentiert werden, wodurch sich auch hier Aussagen über die aktuell vorherrschenden Windrichtungen und Windgeschwindigkeiten tätigen lassen.

Zudem wird sich die ISS-Kamera am 28. November auf einen Teilbereich des äußeren A-Ringes richten, wobei unter anderem zum wiederholten Mal sogenannte „Propellerstrukturen“ dokumentiert werden sollen. Bei diesen lediglich etwa 15 bis 25 Kilometer großen Strukturen handelt es sich um kleine „Hohlräume“ und Massekonzentrationen innerhalb des Ringsystems, welche durch die gravitativen Einflüsse von vermutlich lediglich wenige Kilometer durchmessenden Mini-Monden – so genannten Moonlets – verursacht werden (Raumfahrer.net berichtete). Durch die anzufertigenden Aufnahmen sollen die bisher bekannten Bahnparameter dieser Moonlets noch weiter verfeinert werden. Eine vergleichbare Kampagne wird am 3. Dezember erfolgen.

Der Titan-Vorbeiflug T-96
Am 1. Dezember steht dann der Höhepunkt des 200. Umlaufs der Raumsonde Cassini um den Saturn an. Um 01:41 MEZ wird die Raumsonde den größten der Saturnmonde im Rahmen eines gerichteten Vorbeifluges in einer Entfernung von 1.400 Kilometern mit einer Geschwindigkeit von 5,8 Kilometern pro Sekunde passieren. Die mit diesem 97. Vorbeiflug am Titan – das Manöver trägt die Bezeichnung „T-96“ – assoziierten Beobachtungen beginnen bereits am 29. November. Hierbei wird die ISS-Kamera drei Wolkenbeobachtungskampagnen durchführen.

In den Morgenstunden des 30. November und somit ebenfalls noch während der Annäherungsphase an den Titan soll neben der ISS-Kamera ein weiteres Instrument, das Composite Infrared Spectrometer (CIRS), dazu genutzt werden, um diverse Scans auf der Nachtseite des Titan durchzuführen. Das Ziel der Messungen, welche sich auf die Nordhemisphäre konzentrieren, 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.

Im Anschluss an diese Messungen soll die ISS-Kamera diverse Aufnahmen der nördlichen Titanhemisphäre und speziell von dessen Nordpolregion anfertigen. Anhand dieser Daten sollen erneut die dort befindlichen Seen aus flüssigen Kohlenwasserstoffverbindungen studiert werden. Außerdem sollen diese Aufnahmen dazu dienen, um eine immer noch existierende größere Datenlücke in den bisherigen Titanaufnahmen der ISS-Kamera zu schließen.

Während der Phase der dichtesten Annäherung an den Titan wird das VIMS-Spektrometer die wissenschaftlichen Arbeiten dominieren. Das Instrument wird dabei diverse Aufnahmen der Seen in der Nordpolregion anfertigen und bei dieser Gelegenheit auch speziell jene Bereiche der Titanoberfläche abbilden, welche derzeit nicht mit zu früheren Zeitpunkten dort befindlichen Kohlenwasserstoffverbindungen gefüllt sind. Ein besonderes Interesse gilt dabei der Verteilung von Evaporit-Gesteinen, welche von der „Verdunstung“ der flüssigen Kohlenwasserstoffverbindungen zeugen.

Des weiteren wird das Instrument diverse in der Äquatorregion des Titan befindliche ausgedehnte Dünenfelder abbilden. Die unterschiedliche Helligkeit, in der sich die Regionen Shangri-La, Xanadu und Tui Regio auf den bisherigen Aufnahmen präsentieren, deuten auf eine unterschiedliche Zusammensetzung der Oberfläche hin.

Nach dem Passieren des Titan wird das CIRS-Spektrometer erneut diverse Scans durchführen, welche sich diesmal allerdings auf dessen südliche Hemisphäre konzentrieren. Auch hierbei sollen die Struktur, die Temperatur und die chemische Zusammensetzung der obersten Schichten der Atmosphäre bestimmt werden. Zur gleichen Zeit wird das VIMS-Spektrometer einen umfassende Abtastung der Südhemisphäre durchführen. Die Übertragung der während des Vorbeifluges gesammelten Daten und Bilder an die Erde soll bereits in der Nacht zum 2. Dezember beginnen.

Periapsis
Ungefähr zur gleichen Zeit, nämlich am 1. Dezember um 23:43 MEZ, wird die Raumsonde die Periapsis, den Punkt der größten Annäherung an den Saturn während dieses Orbits Nummer 200 erreichen und den Planeten in einer Entfernung von 1,178 Millionen Kilometern passieren. Die Entfernung zum Titan wird zu diesem Zeitpunkt bereits 420.500 Kilometer betragen.

Am 2. Dezember wird die Südhemisphäre des Saturn in den Sichtbereich des VIMS gelangen, welches dort bei dieser Gelegenheit erneut Wolkenformationen abbilden soll. Nach der Dokumentation einer weiteren Sternbedeckung – diesmal wird der Stern R Lyrae von Teilen des F-Ringes bedeckt – soll die ISS-Kamera diesen Ring am 6. Dezember erneut abbilden. 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 7. Dezember erfolgt eine vergleichbare Kampagne, welche diesmal den D-Ring zum Ziel haben wird.

Nach einer kurzen Aktivierung der Triebwerke, dieser „Short Engine Burn“ Nummer 366 dient einer notwendigen Kurskorrektur, wird die Raumsonde Cassini schließlich am 17. Dezember 2013 um 22:24 MEZ in einer Entfernung von rund 2,7 Millionen Kilometern zum Saturn erneut die Apoapsis ihrer Umlaufbahn erreichen und damit auch diesen 200. Umlauf um den Ringplaneten beenden. Für den damit beginnenden Orbit Nummer 201 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. Januar 2014 in einer Entfernung von erneut 1.400 Kilometern passiert werden wird.

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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