Raumsonden enthüllen die Landschaften des Alls. Heimatforschung steht bei den Astronomen hoch im Kurs: Die Landschaften unserer Nachbarn sind genauso spannend wie die Tiefen des Alls.
Mit immer größeren Fernrohren wollten die Himmelsstürmer jahrzehntelang immer weiter in das Universum hinausblicken, um die Rätsel am Rande der Welt zu entschleiern. Die Erkundung der näheren Heimat, des Sonnensystems, spielte eine untergeordnete Rolle. Das hat sich seit einigen Jahren grundlegend geändert.
Die Fortschritte in der Weltraumfahrt haben die Blicke der Astronomen zurückgelenkt auf unsere unmittelbare kosmische Umgebung, denn sie erlaubten erstmals eine Beobachtung “vor Ort”, die der mühsamen Fernerkundung von der Erde aus weit überlegen ist. Dadurch hat sich unser Bild vom Sonnensystem vor allem in den letzten gut zehn Jahren wesentlich erweitert und verbessert.
Geburtshelfer war die amerikanische Raumsonde Voyager 2. Nach spektakulären Aufnahmen aus der Planetenwelt von Jupiter und Saturn inspizierte die Raumsonde Ende Januar 1986 als erste den Planeten Uranus aus der Nähe. Zuvor wußten die Astronomen von ihm nur, daß er ein grünlich schimmerndes Scheibchen war. Seine Monde waren gar nur als Lichtpünktchen in großen Teleskopen bekannt – und nun lieferte Voyager Nahaufnahmen von den Oberflächen des Planeten und der Monde.
Anhand der Meßdaten konnte endlich die Rotationsdauer des erst 1781 von Wilhelm Herschel entdeckten Planeten zuverlässig bestimmt werden: Sie beträgt 17,2 Stunden.
Der Uranusmond Miranda enthüllte sogar Details aus seiner Entstehungsgeschichte: Die von gewaltigen Furchen durchzogene Oberfläche weist nach Ansicht mancher Wissenschaftler darauf hin, daß der Mond mindestens einmal, möglicherweise aber auch mehrfach zertrümmert wurde und die Bruchstücke sich anschließend wieder neu zusammengefunden haben.
In der Nacht zum 14. März 1986 passierte die europäische Raumsonde Giotto den Kern des Kometen Halley in weniger als 600 Kilometer Entfernung, untersuchte die Zusammensetzung der Gas- und Staubpartikel in seiner Umgebung und ermöglichte zum ersten Mal einen direkten Blick auf den Kern eines Kometen.
Aus den detailreichen Bildern des “schmutzigen Schneeballs” wissen wir, daß wegen seiner auffallend dunklen Oberfläche Halley eigentlich “Dunkley” heißen müßte – wie Horst-Uwe Keller, Leiter des Giotto-Imaging-Teams, schmunzelnd seine Überraschung ausdrückte, als die Sonde beim Rendezvous mit Halley im März 1986 das neue Bild der Kometen lieferte: Nicht ein schneeweißer, sondern ein dunkler Brocken steckt in seinem Innern.
Die Analyse der Gas- und Staubteilchen lieferte bald eine Erklärung für die fast pechschwarze Kruste des kosmischen Schneeballs: Sie enthielten auffallend viele komplexe Kohlenwasserstoff-Verbindungen.
Versuche mit “künstlichen Kometen” zeigten später, wie und warum solche Verbindungen entstehen: Die vermuteten Hauptbestandteile eines Kometenkerns – außer Eis oder lockerem Schnee gefrorenes Methan, Wasser und Kohlendioxid – verdampfen teilweise unter der Einwirkung des ultravioletten Sonnenlichts und reagieren miteinander.
Zumindest die oberflächennahen Schichten eines Kometenkerns zeigen demnach kaum mehr die ursprüngliche Zusammensetzung der Gas- und Staubwolke, aus der vor rund 4,5 Milliarden Jahren Erde, Sonne und Planeten entstanden sind. Deshalb will man bei einer zukünftigen Kometenmission Eisproben aus größerer Tiefe (einige Dezimeter bis Meter unter der Oberfläche) untersuchen.
Auch der letzte Rendezvous-Termin von Voyager 2 mit Neptun sorgte für Überraschungen: Als sich die Sonde im Sommer 1989 dem derzeit sonnenfernsten Planeten näherte (bis 1999 ist Pluto näher an der Sonne als Neptun), fand sie ein System aus mehreren vollständig geschlossenen Ringen – Beobachtungen von der Erde aus hatten zuvor den Eindruck von bloßen Ringbögen, sogenannten Arclets, erweckt.
Außerdem erwies sich Triton, der größere der beiden schon vor Voyager bekannten Neptunmonde, als eisüberkrusteter Trabant mit extrem dünner Atmosphäre. Vor allem das macht Triton zum “Musterexemplar” für den bislang unerreichten Pluto. Dessen dünne Atmosphäre ist wohl auch nur vorübergehender Natur, da sie sich in sonnenferneren Bereichen der Plutobahn – 50mal weiter als die Erde von der Sonne entfernt – als Eis auf der Planetenoberfläche niederschlagen dürfte.
Erdgebundene Beobachtungen haben mittlerweile ergeben, daß Triton und Pluto nicht die einzigen Eisbrocken am Rande des Sonnensystems sind: Bis Ende 1996 wurden mehr als drei Dutzend weitere Körper gefunden, die größtenteils auf plutoähnlichen Bahnen um die Sonne ziehen und deshalb auch als Plutinos, “kleine Plutos”, bezeichnet werden. Den Entfernungsrekord hält gegenwärtig das Objekt “1993 SB”, das bis auf 52 Astronomische Einheiten oder 7,78 Milliarden Kilometer von der Sonne abrücken kann (gegenüber 7,38 Milliarden Kilometer für Pluto).
Noch wesentlich weiter nach draußen scheint das Objekt “1996 PW” zu gelangen, das im vergangenen August in der Gegend des Asteroidengürtels, also zwischen Mars- und Jupiterbahn, erspäht wurde: Eine erste Bahnbestimmung ergab als sonnenfernste Distanz rund 500 Astronomische Einheiten. Solche Werte waren bislang den Kometen vorbehalten, doch zeigte “1996 PW” trotz seiner momentanen Sonnennähe keinerlei für Kometen typische Erscheinungsformen wie eine Gas- und Staubkoma oder gar einen Schweif.
Auch im inneren Sonnensystem sind die Planetenforscher in den letzten zehn Jahren schlauer geworden. So hat die im Mai 1989 gestartete Venussonde Magellan mit ihrem hochauflösenden Radarsystem ab August 1990 über mehrere Jahre hinweg die von Wolken verhangene, rund 470 Grad heiße Oberfläche unseres inneren Nachbarplaneten kartiert.
Seither wissen wir, daß auch die Venus in der Vergangenheit Phasen verstärkter vulkanischer Aktivitäten erlebt hat: Wie auf der Erde dringt bei ihr aus einer heißen Kernregion immer wieder flüssiges Gestein auf, das als Lava ausfließt.
Anhand von Kraterzählungen konnte das letzte große “Bodylifting” der Venus rund 500 Millionen Jahre zurückdatiert werden. Doch seither hat es noch einige Schönheitskorrekturen gegeben: Rund 20 Prozent der Venusoberfläche wurden noch einmal neugestaltet. Konkrete Hinweise auf einen der irdischen Plattentektonik vergleichbaren globalen Strukturwandel haben die Forscher dagegen bislang nicht gefunden.
Der sonnennächste Planet Merkur überraschte mit einer Kuriosität: Völlig unerwartet entdeckten Radarastronomen Hinweise auf Wassereis an seiner Oberfläche. Das erscheint paradox – immerhin steigt die Temperatur auf Merkur um die Mittagszeit bis auf 430 Grad Celsius. Dennoch kann sich auf dem Planeten Eis halten: nahe an den Polen in tiefen Kratern, die nie ein Sonnenstrahl erwärmt. In diesen Kältefallen könnte sich Wasserdampf aus einer temporären Merkuratmosphäre als Eis niederschlagen – und solche flüchtigen Gaswolken sind beim Aufprall von Kometenkernen auf die Merkuroberfläche gar nicht zu vermeiden.
Diese Beobachtung weckte den Verdacht, daß Eis in Kratern auch an den Polen unseres Mondes existieren könnte. 1994 wurde mit der Mini-Mondsonde Clementine gezielt danach gesucht – ohne Erfolg. Statt dessen konnte die Sonde das größte bislang bekanntgewordene Einschlagbecken im Sonnensystem nachweisen – die “Aitken-Depression”, die auf der Rückseite des Mondes bis an den Südpol reicht: Mit einem Durchmesser von 2250 Kilometern und einer Tiefe von maximal 12 Kilometern stellt dieses Loch alle anderen Einschlagkrater im Sonnensystem in den Schatten.
Noch größer allerdings waren die Atompilz-ähnlichen Gas- und Staubwolken, die nach dem Aufprall der Trümmer vom Kometen Shoemaker-Levy-9 im Juli 1994 über der Jupiteratmosphäre auftauchten. Selbst Amateur-Teleskope konnten die dunklen Flecken erkennen, die von dieser kosmischen Katastrophe zeugten: Insgesamt rund zwei Dutzend Brocken mit einem Durchmesser von manchmal einigen hundert Metern waren auf den größten Planeten des Sonnensystems gestürzt.
Inzwischen steht Jupiter erneut im Blickpunkt des wissenschaftlichen Interesses, denn die amerikanische Raumsonde Galileo liefert fast täglich neue Bilder von ihm und seinen Monden. Sie umkreist den Riesenplaneten seit über einem Jahr und ist mittlerweile viermal in geringer Entfernung an einem seiner Monde vorbeigezogen.
Die Detailfülle der Bilder, die teilweise Einzelheiten von nur 50 Meter Durchmesser zeigen, birgt manche Überraschung für die Forscher. So verrieten Aufnahmen des Jupitermondes Europa, daß dessen Eiskruste an vielen Stellen zerbrochen ist und die Eisschollen wohl auseinandergedriftet sind – ein Hinweis darauf, daß unter dem Eis ein Ozean aus flüssigem Wasser existiert.
Auf Io, dem innersten der vier großen Trabanten des Jupiter, geht es heiß her. Zahlreiche Vulkane spukken ihre glutheißen Fontänen in den kalten Himmel. Zwar kommt Galileo während der bis Ende 1997 dauernden Missionsphase nicht besonders nahe an Io vorbei, doch schon die Aufnahmen aus größerer Distanz lassen deutliche Veränderungen auf seiner Oberfläche erkennen. So ist zum Beispiel in der Umgebung eines der neun von Voyager entdeckten Io-Vulkane ein Gebiet von der Größe Baden-Württembergs von neuen Ablagerungen bedeckt, und frische vulkanische Gebilde wie Kraterböden, Ablagerungen und Lavaströme sind erkennbar.
Schon auf dem Weg zu Jupiter hatte Galileo wichtige Puzzlesteine für das neue Bild des Sonnensystems geliefert: Gleich von zwei Kleinplaneten übermittelte er Bilder und Daten zur Erde. Beide, die rund 20 mal 11 mal 11 Kilometer große Gaspra und die mehr als doppelt so große Ida, erwiesen sich als von Kratern übersäte Brocken, die zur Verwunderung der Wissenschaftler Reste eines früheren Magnetfeldes erkennen lassen.
Ida sorgte sogar für eine Änderung in unseremWeltbild: Die Hierarchie “Galaxien-Sterne-Planeten-Monde” wurde um eine Stufe erweitert: Auch Kleinstkörper – Asteroiden, die viel kleiner sind als “normale” Monde – können einen Mond haben. Bei Ida fand Galileo im Abstand von rund 100 Kilometern einen etwa 1,5 Kilometer kleinen Begleiter, der als Mond des Asteroiden angesehen wird.
Mehr als sechs Jahre brauchte Galileo für den Flug bis zum Jupiter. Zunächst ging es in Richtung Venus und dann zweimal an der Erde sowie an den Kleinplaneten Gaspra und Ida vorbei, ehe endgültig Kurs auf Jupiter genommen werden konnte – die reinste Odyssee.
Dagegen brauchte die Raumsonde Odysseus (besser bekannt unter ihrem französischen Namen “Ulys-ses”) gerade einmal 14 Monate bis zum gleichen Ziel. Dort angekommen ließ Ulysses sich vom Schwerefeld des Jupiter nahezu senkrecht nach unten aus der Ekliptikebene hinausschleudern und kehrte dann in weitem Bogen in Sonnennähe zurück.
Dabei führte der Kurs im Sommer 1994 in gebührendem Abstand von etwa 215 Millionen Kilometern über die Südpolregion der Sonne und ein Jahr später auch noch über den Nordpol hinweg. So konnten die Wissenschaftler erstmals umfassende Daten über den Zustand des Sonnenwindes sammeln, einer ständig von der Sonne abdriftenden Teilchenströmung. Alle früheren Sonden hatten sich im wesentlichen in der Ebene der Ekliptik aufgehalten – in der auch die Erde um die Sonne wandert – und so nur einen engen Ausschnitt dieser Teilchenströmung erfassen können.
Dank Ulysses wissen die Forscher heute, daß die Strömung im äquatornahen Bereich des Sonnenwindes durch Störungen im Sonnenmagnetfeld stark gebremst wird. Über den Polgebieten sind die Geschwindigkeiten wesentlich höher: 750 Kilometer pro Sekunde und mehr. Gleichzeitig herrscht dort ein viel höherer Druck im dünnen Gas. Entsprechend ist zu erwarten, daß die sogenannte Heliosphäre – der Einflußbereich des Sonnenwindes – über den Sonnenpolen wesentlich weiter hinausreicht als in der Äquatorebene.
Anhand der Ulysses-Daten ließ sich auch der Materieverlust der Sonne durch ihren Wind abschätzen: pro Sekunde etwa drei Millionen Tonnen. Das liegt etwas unter dem Wert für den Massenverlust, der sich aus der Umwandlung von Materie in Energie im Sonneninnern, bei der Kernfusion von Wasserstoff zu Helium, ergibt: vier Millionen Tonnen pro Sekunde.
Für großes Aufsehen in der Öffentlichkeit sorgte schließlich die Meldung vom Sommer vergangenen Jahres: Amerikanische Forscher hatten im Dienste der NASA in einem Meteoriten Spuren möglicher früherer Lebensformen auf dem Mars gefunden. Allerdings stellte sich auf Nachfragen von Kongreßabgeordneten heraus, daß die Interpretation der “Beweise” als zunächst noch recht vorläufig angesehen werden muß.
Es dauert wohl noch ein bis zwei Jahre, bis mehr Klarheit herrscht. Immerhin setzt die NASA derzeit voll auf den Mars als nächstes Ziel der Planetenforschung, denn sie plant, bis zum Jahr 2003 eine ganze Serie von Sonden dorthin zu entsenden, die auch Proben vom Marsboden zur Erde bringen sollen.
So präsentiert sich unser Sonnensystem heute größer und stürmischer, aber auch gefährlicher und – vielleicht – lebendiger als noch Mitte der achtziger Jahre.
Grenzgänger
Die Reise zu den Sternen ist nicht mehr nur Sache der Zukunftsromane – sie findet statt. Vier Raumschiffe, die in den achtziger Jahren aufsehenerregende Nahaufnahmen der Planeten zur Erde sandten, treiben jetzt weit draußen von unserem heimatlichen Sonnensystem weg durch den dunklen Raum – die interstellare Raumfahrt hat begonnen. Die Sonde Pioneer 10 hat inzwischen einen Abstand von fast zehn Milliarden Kilometern erreicht und ist damit das derzeit fernste von Menschen gemachte Objekt. Es fliegt mit über 50facher Schallgeschwindigkeit von uns weg, doch bis es in die Nähe des nächsten Sterns kommt, vergehen noch einige 100000 Jahre.
Die Erkundung des Planetensystems ist eng mit zwei Namen verbunden: Pioneer und Voyager. In den Jahren 1972 und 1973 startete die NASA die beiden Sonden Pioneer 10 und 11. Ihre Aufgabe bestand darin, erstmals Nahaufnahmen der großen Planeten Jupiter und Saturn zu übermitteln. Pioneer 10 raste 1973 an Jupiter vorbei, ein Jahr später folgte die Schwestersonde, die dann 1979 den Ringplaneten Saturn erreichte.
Die ersten Bilder waren faszinierend – aber es sollte noch besser kommen. Mit modernisierter Technik traten 1977 Voyager 1 und 2 ihre “Grand Tour” durch das Planetensystem an. Diese beiden fliegenden Laboratorien sind die bislang erfolgreichsten Missionen in der Geschichte der Raumfahrt. Sie haben bis heute insgesamt eine knappe Milliarde Dollar gekostet. Das entspricht für jeden US-Bürger etwa 30 Pfennig pro Jahr, wie die NASA gern betont.
Ursprünglich sollten die beiden Sonden lediglich Jupiter und Saturn untersuchen, dann aber entschied sich die NASA dafür, die Reise auszudehnen – im richtigen Moment: Die äußeren Planeten standen in einer günstigen Konstellation, wie sie nur alle 175 Jahre einmal eintritt. Außerdem hatte 1973 Mariner 10 erstmals ein sogenanntes Swing-by-Manöver durchgeführt: Die Sonde hatte im Schwerkraftfeld der Venus Schwung geholt, um zum Merkur durchzustarten.
Diese Technik setzte man nun auch bei Voyager 2 ein. Die Sonde flog so geschickt an Jupiter, Saturn und Uranus heran, daß sie in deren Schwerefeld jedesmal in Richtung des nächsten Zielplaneten beschleunigt wurde. Auf diese Weise gelang es, die Reise zum Neptun von 30 auf 12 Jahre zu verkürzen.
Die Entdeckungen der beiden Voyager-Sonden waren ein Riesenschritt für die Planetenforschung. Die zahlreichen Bilder der großen Planeten mit ihren Ringen und ihren teils bizarren Monden gingen um die ganze Welt. Weniger bekannt ist, daß die Pioneer- und Voyager-Sonden auch nach ihren Rendezvous mit den Planeten bis heute Meßdaten aus dem Weltraum zur Erde senden.
Die Radioantennen, Teilchen- und Magnetfeld-Meßgeräte liefern immer wieder wertvolle Informationen über den Sonnenwind – einen Teilchenstrom, den die Sonne unablässig aussendet. Er bildet eine Art Blase, die Heliosphäre, in die das Planetensystem eingebettet ist. An der Grenze dieses Gebietes prallen die Sonnenwindteilchen auf das zwischen den Sternen verteilte interstellare Medium. Wo sich diese theoretisch vorhergesagte Stoßfront zum interstellaren Raum befindet, wissen die Astronomen nicht genau.
Im Jahre 1992 fingen die beiden Voyager-Sonden Radiosignale auf, die vermutlich entstanden waren, als eine “Böe” im Sonnenwind auf diese Grenzschicht aufgeprallt war. Aus den Messungen schlossen die Astronomen, daß die Heliosphäre zwischen 80 und 170 Astronomischen Einheiten von der Sonne endet. Hier beginnt der interstellare Raum. Zum Vergleich: Der Radius der Plutobahn beträgt etwa 40 Astronomische Einheiten.
Ob wenigstens eine Sonde noch funktionsfähig sein wird, wenn sie dieses Übergangsgebiet im Sonnensystem erreicht, ist ungewiß. Die Batterie von Pioneer 11 ist bereits Ende letzten Jahres zur Neige gegangen, die Schwestersonde wird voraussichtlich noch bis zur Jahrhundertwende durchhalten. Im Januar 1998 wird Voyager 1, die zusammen mit ihrem Double nach dem Neptun-Vorbeiflug in “Voyager Interstellar Mission” umbenannt wurde, als schnellste der Sonden die Rolle des fernsten Flugkörpers übernehmen. Voyager 1 und 2 werden vermutlich noch 20 bis 30 Jahre funktionieren, bevor auch ihre Stromversorgung versiegt. Dann werden sie etwa 120 bis 160 Astronomische Einheiten von der Erde entfernt sein.
Doch hier endet unser Sonnensystem noch lange nicht. In rund 20000 Jahren werden sich die Raumsonden in einer Entfernung von einem Lichtjahr inmitten der Oortschen Wolke befinden – einem kugelförmigen Bereich um das Planetensystem, in dem es vermutlich Billionen von Kometenkernen gibt.
In rund 100000 Jahren wird Voyager 2 so weit entfernt sein wie der uns nächste Stern, Proxima Centauri. Auf der Erde wird dann wohl niemand mehr etwas von den irdischen Boten wissen. Wenn eine der Sonden irgendwann einmal von intelligenten Wesen aufgegriffen werden sollte, können sich diese über den Absender informieren: An der Außenwand der Pioneers sind in eine Metallplatte Bilder und Daten über uns Menschen und unsere kosmische Heimat graviert, und die beiden Voyagers tragen eine Langspielplatte mit dem Titel “Sounds of the Earth” bei sich – samt Plattenspieler und Gebrauchsanleitung.
Hermann-Michael Hahn; Thomas Bürke
