Jupiter
In diesem Winter (2001/2002) wird uns der Planet Jupiter begleiten. Er steht als weisser, auffälliger Stern in der Nacht am Himmel. Schon mit einem normalen Fernglas kann man seine vier grössten Monde als kleine Sternchen neben ihm erkennen. Dem Sternwartenbesucher wird sich der Planet als leicht ovale Scheibe zeigen, auf der auch Wolkenbänder zu sehen sind. Hin und wieder zieht der Schatten eines der grossen Monde über Jupiter. 5 Raumsonden haben uns Fotografien aus nächster Nähe zurückgefunkt. Eine der Sonden hat sogar einen Fallschirmabsprung durch die Wolken des Jupiters gewagt.
Jupiter erscheint uns als vierthellstes Objekt am Himmel, Sonne und Mond eingeschlossen. Er übertrifft in seiner Helligkeit jeden Fixstern. Die Erde ist immer etwas zu weit von Jupiter entfernt, als dass wir den Jupiterglobus als Schreibe und nicht nur als hellen Stern sehen könnten. Doch viel fehlt nicht. Deshalb hat man bereits im (auf ein Stativ montierten) Fernglas den Eindruck eines kleinen Scheibchens. Und im kleinen Amateurteleskop zeigen sich zwei parallel zum Jupiteräquator laufende Wolkenbänder. Somit ist es nicht verwunderlich, dass bereits in den ersten Jahren nach der Erfindung des Fernrohrs an Jupiter wichtige Entdeckungen gemacht wurden.
Jupiter und seine Monde im kleinen Teleskop. © R. Brodbeck.
Jupiters Monde als Sonnensystem-Modell
Zu Beginn des 17. Jahrhunderts wurde mit der systematischen Beobachtung des Planeten begonnen. Galileo Galilei gehörte zu den Pionieren. Er war aber nicht der Einzige, der den Sternenhimmel nun mit optischen Hilfsmitteln zu beobachten begann. Im dogmatisch gelehrten geozentrischen Weltbild war es eine Sensation, vier kleine Sterne zu sehen, die sich offenbar im Laufe weniger Tage um Jupiter bewegten. Die Jupitermonde waren die ersten beobachteten Objekte, die sich ganz offensichtlich nicht um die Erde drehten. Jupiter und seine Monde konnte man als Modell ansehen, wie die Planeten um die Sonne kreisten.
.. und als Uhr
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Sequenz von CCD-Bilder, die die Bewegung der Monde Io und Europa innerhalb von weniger als 2 Stunden
zeigt. Man sieht auch, wie die Schatten der beiden Monde über Jupiter hinwegziehen. Links oben sind noch die Monde Kallisto und Ganymed zu sehen.
© Roland Brodbeck.
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Mit der Zeit wurden die Beobachtungen systematischer und die Fernrohre besser. Man konnte sehen, wie die Monde während ihres Umlaufs um den Planeten in seinem Schatten verschwanden, selbst mal ihren Schatten auf den Jupiter warfen oder vor bzw. hinter Jupiter hindurchliefen. Da die Umlaufzeiten der Monde bald gemessen waren, wurde auch versucht, diese Phänomene der Jupitermonde vorauszusagen. Dies gelang aber nicht befriedigend. Die Vorhersagen schienen einen während eines Jahres systematisch ändernden Fehler aufzuweisen. Einmal ging die "Uhr" der Jupitermonde vor und ein paar Monate später nach. Olaf Römer interpretierte diesen Effekt um das Jahr 1676 richtig: Das Licht brauchte eine gewisse Zeit, um von Jupiter zur Erde zu gelangen und die Distanz Erde - Jupiter schwankt um ca. den Erdbahndurchmesser im Laufe eines Jahres. Für diese Strecke braucht das Licht gut 16 Minuten. Wenn man dies nicht berücksichtigt, können die scheinbaren Positionen (d.h. wie sie ein Beobachter auf der Erde sieht) der Jupitermonde auch nicht genauer vorausgesagt werden. Somit halfen Jupiter und seine Monde bei der Entdeckung, dass die Geschwindigkeit des Lichts endlich ist.
Vergangene Jahrhunderte
Obwohl dass die Teleskope nach der Zeit von Olaf Römer immer besser wurden, beschränkten sich die Fortschritte eher auf himmelsmechanische Details des Planeten und seiner Monde. Erst 1892 wurde erstmals wieder seit 1610 ein weiterer Mond des Jupiters entdeckt. Erste Spurenstoffe der Atmosphäre (Methan, Ammoniak) wurden schon in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts gefunden, ebenso erhielt man erste Vorstellungen über die Kälte (-150 Grad C), die auf dem Niveau der obersten Wolken herrschen muss. Dass Jupiter zum überwiegenden Teil aus dem leichtesten Element Wasserstoff besteht, weiss man seit den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts. Grundlegende Vorstellungen über den inneren Aufbau des Planeten fehlten jedoch. Mit der ab den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts aufkommenden unbemannten Raumfahrt bot sich nun eine Möglichkeit, neue Informationen über den grössten Planeten im Sonnensystem zu sammeln.
Raumfahrt zu Jupiter
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Raumsonde Pioneer 10.
© NASA.
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Sehr viele Versuche mit unbemannten Raumfahrzeugen, vor Ort etwas über Jupiter und seine Monde zu erfahren, gab es nicht. Lediglich 7 Raumfahrzeuge erreichten den Planeten. Glücklicherweise gab es keine Fehlschläge. Anders als beim Planeten Mars gab es nie so etwas wie ein Wettlauf zwischen der USA und den UdSSR. Nur die USA, z.T. unter europäischer Beteiligung, stiess bisher bis zu Jupiter vor. Der erste Start erfolgte am 6 April 1973 mit den Pioneer 10, die am 3. 12. 1973 am Planeten vorbeiflog. Eine zweite Sonde gleichen Typs startete gut ein Jahr später und überflog Jupiter am 2. Dezember 1974 in 40'000 km Distanz. Während gute Aufnahmen von Jupiter selbst gelangen, konnten über die Monde kaum Informationen gesammelt werden. Erst mit den gegenüber den Pioneer-Sonden wesentlich verbesserten amerikanischen Voyager-Sonden I und II gelangten erstaunliche Einblicke in das Jupitersystem, die die Jupitererforschung entscheidend vorangebracht hat . Danach nutzte noch die nicht mit Kameras ausgerüstete Sonde Ulysses die Schwerkraft des Riesenplaneten, um über die Pole der Sonne zu fliegen.
Als 1991 ca. zwei Dutzend Kometenstücke mit dem Riesen zusammenstiessen, wurde der Welt vor Augen geführt, dass vernichtende Einschläge im Sonnensystem nicht nur in längst vergangener Urzeit stattfanden, sondern auch heute noch geschehen. Da damals keine Raumsonde bei Jupiter war, bewährte sich hier besonders das in einer Umlaufbahn um die Erde kreisende Weltraumteleskop Hubble, um dieses Ereignis zu dokumentieren.
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Wolkenbänder des Jupiters, fotografiert von der Raumsonde CASSINI. © Photojournal, NASA.
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1995 wurde schliesslich die erste Raumsonde in eine Umlaufbahn um den Jupiter gebremst. Die Raumsonde mit Namen Galileo setzte dabei beim Anflug eine Atmosphärensonde ab. Mit der Rekordgeschwindigkeit von 62 Kilometern pro Sekunde (220'000 km/h) traf die Antmosphärensonde auf die Jupiteratmosphäre. Bei der passiven Bremsung musste der Automat bis zum 300fachen der Erdbeschleunigung aushalten. Der anschliessende Fallschirmabstieg durch die Wolken des Jupiters verlief erfolgreich und lieferte wertvolle Messungen vor Ort, bis der Druck die Sonde zerquetschte.
Bis heute zieht Galileo-Orbiter seine Bahnen im Jupitersystem. Neben Beobachtung der Jupiteratmosphäre waren immer wieder die Monde im Visier der Kameras. Leider ist Galileo durch eine technische Panne behindert. Die Parabolantenne entfaltete sich nur unvollständig und steht deshalb zur Datenübertragung nicht zur Verfügung. Eine kleine Hilfsantenne muss deshalb einspringen, was aber die Menge der übertragbaren Daten sehr empfindlich reduziert.
Im Dezember 2000 flog schliesslich die europäisch-amerikanische Raumsonde Cassini auf ihrem Weg zum Jupiter an Saturn vorbei und lieferte in einer Periode von 3 Monaten vor und 3 Monaten nach dem Vorbeiflug wertvolle ergänzende Beobachtungen und Messungen.
Das moderne Bild des Jupiters, Riese mit kurzem Tag
Jupiter ist am Äquator 11 mal dicker als die Erde. In nur 9 Stunden und 55 Minuten dreht sich Jupiter um seine Achse. Wie die Sonne auch besteht der im Vergleich der Erde rund 300 mal schwerere Planet aus Wasserstoff und Helium. Andere Elemente machen nur wenige Prozent aus. Jupiter ist jedoch 80 mal zu leicht, um selbst eine Sonne zu sein.
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Links sieht man dasselbe Gebiet wie rechts. Links wurde bei Nacht fotografiert. Die hellen Punkte in der sonst dunken Aufnahme
sind Blitze. Die Bilder stammen von der Raumsonde Cassini.
© Photojournal,NASA.
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Die Spurenelemente machen die Chemie der Wolken aus. Im Wesentlichen gibt es drei Schichten Wolken: Zuoberst Wolken aus Ammoniak, darunter eine Schicht aus Ammoniumsulfatkristallen, und dann noch eine Schicht Wasserdampfwolken, die etwa auf einem Niveau liegen, wo die Temperatur im angenehmen Bereich ist. Darunter gibt es keinen festen Boden. Temperatur und Druck des Gases nehmen mit der Tiefe immer weiter zu. 1000 km unter den Wolken ist der Druck soweit angestiegen, dass der Wasserstoff eine Art Flüssigkeit wird. In noch grösserer Tiefe wird der Wasserstoff metallisch. In diesem den elektrischen Strom leitenden Medium können gewaltige elektrische Ströme fliessen. Damit ist die Voraussetzung gegeben, dass der Jupiter nach der Sonne das stärkste Magnetfeld im Sonnensystem aufweist. Im tiefsten Inneren, wo die Temperatur 30'000 Grad und der Druck 100 Millionen bar beträgt, existiert auch ein Kern aus Eisen und anderen schweren Elementen.
Aus dem Inneren des Planeten gelangt noch immer mehr Energie zur Oberfläche, als Jupiter von der Sonne erhält. Somit ist die Dynamik des Wetters auf Jupiter auch von der Energie geprägt, die aus seinem Inneren aufsteigt. In den helleren Zonen steigt das Gas aus der Tiefe auf und sinkt in den dunkleren Bändern wieder ab. Dies geschieht natürlich nicht ohne Turbulenzen. Der grösste Wirbel (ein Hochdruckgebiet) ist der sogenannte grosse rote Fleck, der seit Jahrhunderten beobachtet wird. Meist ist er breiter als die Erde gross ist. Ausserdem ist er 3 bis 4 mal länger als der Durchmesser der Erde.
Roland Brodbeck
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