Huygens Landung auf Titan
14.1.2005 − Europas grösster Erfolg in der Planetenforschung
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"Steine" aus Eis an der Landestelle. © ESA, NASA, and the University of Arizona. | |
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Die ESA-Sonde Huygens landete nach siebenjähriger Reise erfolgreich auf dem 1.2 Milliarden Kilometer entfernten Saturnmond Titan. Die auf ein paar Stunden ausgelegte Messzeit in der Titanatmosphäre und am Boden verlief nahezu wie geplant. Man kann von einem der grössten Erfolge der europäischen Weltraumorganisation ESA in ihrer Geschichte sprechen.
Geschichte
Für einen Umlauf um Saturn benötigt Titan zwei Wochen. Bereits in einem guten Fernglas oder kleinem Amateurteleskop ist er als rötliches Sternchen neben Titan erkennbar. Christian Huygens entdeckte um 1655 den Titan mit seinem selbstgebastelten Fernrohr. Nach den von Galilei entdeckten vier grossen Jupitermonden war Titan der fünfte entdeckte Trabant eines anderen Planeten und der erste des Saturns. In seinem Werk Systema Saturnium erklärte auch Huygens als erster die Saturnringe als frei schwebendes Gebilde; eben als Ring. Huygens zu ehren wurde die erste Sonde, die auf Titan landen sollte, nach ihm benannt. Der amerikanische Saturnorbiter Cassini, mit dem Huygens als Passagier bis in das Saturnsystem gereist war, ist nach dem ersten Direktor des Pariser Observatoriums, G.D. Cassini benannt. Durch seine Entdeckung einer Teilung im Saturnring im Jahre 1675 lag der Schluss nahe, dass der Saturnring nicht fest oder flüssig sein können. Dies wurde jedoch erst von seinem Sohn im Jahre 1705 deutlich ausgesprochen. Heute weiss man, dass die Ringe aus einer gigantischen Anzahl von frei um den Saturn kreisenden Eiskristallen (wie Graupelkörner oder Schneeflocken) aufgebaut sind. Neben der Teilung im Saturnring entdeckte G.D. Cassini noch vier weitere Monde des Saturn (Thetys, Dione, Rhea und Iapetus).
Landung auf Titan. Gemälde ESA.
Die Atmosphäre von Titan wurde in ihren tatsächlichen Ausmassen erst von den beiden Voyager-Sonden entdeckt. (Vorbeiflug an Saturn am 12. November 1980 und 26. August 1981), wobei nur Voyager 1 dem Titan nahe kam Vor Voyager glaubte man eher an eine dünne Atmosphäre aus Methan. Die Raumsonde Cassini kreist seit Juli 2004 um Saturn und hat vor der Landung von Huygens bereits einige Messungen an Titan durchführen können.
Unser Bild von Titan vor der Landung
Titan ist mit 5150 km Durchmesser der zweitgrösste Mond im Sonnensystem und übertrifft an Grösse selbst den Planeten Merkur. Er ist die einzige Welt in unserem Sonnensystem, die von einer dichten Stickstoffatmosphäre umgeben ist; abgesehen von der Erde. Aufgrund der viel grösseren Entfernung zur Sonne ist jedoch die Temperatur mit ca. –180 Grad Celsius viel tiefer als auf der Erde. Die ebenfalls in der Atmosphäre des Titans enthaltenen Gase Methan (Erdgas) und Ethan können bei diesen Temperaturverhältnissen in flüssiger Form vorkommen. Eine dicke Aerosolschicht in der Stratosphäre verhindert den Blick auf die Oberfläche von Titan. Nur mit einer speziellen Infrarotkamera und Radar konnte die Muttersonde von Huygens, Cassini, erste Blicke auf diese rätselhafte Welt werfen. Die Zusammensetzung der Titanatmosphäre ist der Uratmosphäre der Erde nicht unähnlich, allerdings herrschen auf Titan ungleich tiefere Temperaturen.
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Vorhergesage Landestelle auf einem Infrarotbild von Cassini.
© Cassini/JPL/NASA
Die Missionsplanung sah vor, dass die Sonde einerseits an Fallschirmen schwebend Messungen und Fotos machen würde und andererseits nach dem Aufsetzen auch auf der Oberfläche noch für ein paar Minuten Experimente durchführen sollte. Da die Funkstrecke zur Erde viel zu lang ist, um mit hoher Datenrate zu senden, sollte die Muttersonde Cassini aus dem Saturnorbit alle Daten aufzeichnen und nach Missionsende von Huygens mit seiner stärkeren Antenne zur Erde zurückfunken. Der Nachteil war, dass man mit Cassini alleine erst nach Missionsende - also erst nach 16 Uhr (MEZ) - erfahren hätte, ob Huygens irgendwelche seine Messsysteme überhaupt hochgefahren hätte.
Positive überraschung gleich zu Beginn
Trotz pessimistischer Prognosen versuchten Radioastronomen auf der ganzen Welt das schwache Funksignal von Huygens aufzufangen. Achtzehn Radioteleskope über die ganze Welt verstreut beteiligten sich an diesem Experiment. Bereits am Mittag des 14.1.2005 konnten sie deutlich den Radiosender von Huygens verfolgen. Somit konnten die Radioastronomen die Nerven der Huygens Ingenieure und Wissenschaftler etwas beruhigen. Huygens hatte sich eingeschaltet, schwebte zunächst wie vorgesehen an den Fallschirmen durch die Atmosphäre und landete schliesslich intakt auf der Titanoberfläche. Ob auch wissenschaftlich verwertbare Daten gesendet wurden, konnten die Radioastronomen jedoch nicht feststellen. Da viele Radioteleskope über die halbe Erde verstreut beteiligt waren, konnte die Position des Senders während des ganzen Abstieges auf Titan auf einen Kilometer genau verfolgt werden.
Die Verfolgung des Signals von der Erde aus zeigte auch, dass Huygens offenbar die Landung auf der Oberfläche überstanden und sogar noch länger arbeitete als geplant. Huygens sendete noch, als Cassini bereits - von ihm aus gesehen – unter dem Horizont verschwunden war und damit die Funkstrecke Huygens – Cassini unterbrochen wurde.
Die Sache mit Kanal A und B
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Dies ist eines der ersten unprozessierten Bilder, das von der Huygens-Sonde während ihres Abstiegs durch die Titan-Atmosphäre gemacht wurde. Aufgenommen wurde es aus 16,2 Kilometer Höhe mit einer Auflösung von etwa 40 Meter pro Bildpunkt. Gut erkennbar sind Abflusskanäle, die zu einer Art Küste führen. © ESA, NASA, and the University of Arizona.
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Dieselbe "Küste" wie oben, nun in Schrägansicht. © ESA, NASA, and the University of Arizona.
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Nun wartete man gespannt auf die von Cassini aufgezeichneten Daten. Ab ca. 16.15 trafen erste Datenpakete auf der Erde ein. Man musste sich zunächst in Geduld üben, denn die Aufzeichnung begann bereits lange vor dem Eintritt von Huygens in die Titanatmosphäre. über zwei redundante Sender, Kanal A und Kanal B, sendete Huygens seine Daten. Bis auf die Bilder und die Daten eines Experiments zur Feststellung der genauen horizontalen und vertikalen Bewegung liefen alle wissenschaftlichen Daten über beide Sender. Die Bilder wurden zur Hälfte über Kanal A und zur Hälfte über Kanal B gesendet.
Zuerst musste man feststellen dass offenbar keine Aufzeichnungen von Kanal A vorlagen, man vermutet ein Programmierfehler. Eine Untersuchung soll das klären. Gross war die Freude, dass über Kanal B in guter Qualität Daten aufgezeichnet wurden. Die Bewegung der Sonde wurde ja von den Radioastronomen verfolgt und dass man anstatt 700 nun „nur“ 350 Bilder von der Titanoberfläche hatte, störte eigentlich niemanden mehr. Es war rasch klar, dass mit dieser Mission das Verständnis über diese merkwürdige Welt Titan einen entscheidenden Sprung vorwärts machen würde.
Erste Pressekonverenz
An einer Pressekonferenz am folgenden Tag stellte die ESA schliesslich erste Ergebnisse vor.
© ESA/NASA/University of Arizona.
Von den anwesenden Journalisten erhielt das erste Panorama spontan Applaus. Das Panorama wurde aus Bildern zusammengesetzt, die in etwa 8 Kilometer Höhe aufgenommen wurden. Es zeigt etwas, das an einen dunklen ausgetrockneten See erinnert. Dieser „ausgetrocknete See“ hat eine Küstenlinie zu der offenbar ein Flusssystem hinführt. An der Küstenlinie gibt es sogar so etwas wie Dunst oder Nebel. Dieser Nebel könnte aus feinen Methan oder Ethantröpfchen bestehen.
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360°-Panorama aus 8 km Höhe. Die Landestelle ist mit einem Kreis markiert.
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"Auf der Oberfläche von Titan. © ESA, NASA, and the University of Arizona. | |
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Irgendwo in diesem dunklen Gebiet im Panorama oben landete schliesslich Cassini. Die Oberfläche verhalte sich wie feuchter Sand mit einer eingetrockneten Kruste. Dies ist die erste vorläufige Interpretation der Daten der Experimente am Titanboden. Auch wurden nach dem Aufwärmen des Bodens durch Huygens erhebliche Mengen an Methan freigesetzt. Ist der Boden von flüssigem Methan durchtränkt?
Auf dem Bild einer Kamera, die sich etwa 40 cm über dem Boden befindet, sind Steine auf einem rötlichen Boden zu sehen. Es ist jedoch davon auszugehen, dass dies „Steine“ aus Wassereis sind. Bei minus 180 Grad Celsius verhält sich Wassereis wie ein Gestein.
Ergebnisse
An der Pressekonferenz vom 21. Januar 2005 wurden von den beteiligten Wissenschaftlern eine erste vorläufige Beurteilung der Messungen und Bildern der Öffentlichkeit vorgestellt. Startend 150 Kilometer über dem Titanboden sechs Instrumente an Bord von Huygens führten während des Fallschirmabstiegs Messungen durch.
„Wir haben nun den Schlüssel zum Verständnis der Prozesse die Titans Landschaft formten“, meinte Dr. Martin Tomasko. „Geologische beweise für Niederschläge und durch Flüssigkeiten verursachte Erosion erinnern sehr an die physikalischen Prozesse auf der Erde“.
Bilder des Kamerasystems DISR, die während des Abstiegs geschossen wurden, zeigen, das Titan eine durchaus an die Erde erinnernde Meteorologie und Flussnetzwerk aufweist. Allerdings übernimmt die Rolle des Wassers bei –180 °C Methan (Erdgas). Wassereis selbst verhält sich unter diesen Bedingungen wie ein Gestein. Die Bilder zeigen ein komplexes Netzwerk aus Drainagekanäle die von den etwas hellern Hochländern in dunklere Tiefebenen führen. Die Kanäle vereinen sich zu Flussbeten die in einen (ausgetrockneten) See führen. Dieser See zeigt vorgelagerte Inseln und Küsten, die durchaus an die Erde erinnern.
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| | "Küstenlinie zwischen hellen Hochländern und dr sehr dunklen Tiefebene. © ESA, NASA, and the University of Arizona. |
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Die Vorstellung, das Methan hier auf Titan die Rolle von Wasser übernimmt, werden gestützt von Messungen des Gaschromatographen und Massenspektrometers und die Experimente an der Oberfläche (SSP). Doch zumindest im Landegebiet erscheinen die Flüsse und Seen im Moment trocken, jedoch Ein Methanregenschauer könnte vor kurzer Zeit stattgefunden haben.
Die Oberfläche an der Landestelle in der Tiefebene scheint in den obersten 15 cm (nur diese Tiefe wurde untersucht) aus einer harten Kruste und etwas wie nassem Sand darunter zu bestehen. Auch wurde durch die Wärme der Sonde offenbar Methan zum verdampfen gebracht, das vom dem Spektrometer als starker Anstieg des Methangehaltes registriert wurde. Der Boden könnte unter einer vertrockneten Kruste mit Methan getränkt sein.
Das Bild von der Oberfläche zeigt abgerundete Steine in einem trockenen Flussbett Spektrale Untersuchungen (Farbe) stützen die Vorstellung, dass es sich bei den abgerundeten Steinen um schmutziges Wassereis handelt und weniger um silikatisches Material (wie viele Steine auf der Erde).
All dies unterstützt die Vorstellung eines Mathan-Wetters auf Titan, dass die Oberfläche gestaltet. Dunkles Material, das aus dem Dunst kommt, der den ganzen Planeten verhüllt, wird von den Hochländern abgewaschen und via Drainagekanäle in die Flussläufe und schliesslich in die Tiefebenen gespült. Deshalb erscheinen Flussläufe und Tiefebenen dunkel, die etwas saubereren Hochländer heller. Neue erstaunliche Messungen von Argon 40 weisen darauf hin, dass es auf Titan vulkanische Aktivität gegeben hat, die Wassereis und Ammoniak als „Lava“ gefördert hat.
Erste Vorstellungen über eine sehr merkwürdige Welt
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"Ablusskanäle auf Titan. © ESA, NASA, and the University of Arizona. | |
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Obwohl die geophysikalischen Prozesse auf Titan ziemlich vertraut erscheinen, ist die beteiligte Chemie sehr verschieden von der Erde. An die Stelle von flüssigem Wasser tritt flüssiges Methan (Erdgas); an die Stelle von Steinen treten Brocken aus Wassereis. An die Stelle von Dreck treten Partikel aus Kohlenwasserstoffen (Smog), die aus der Atmosphäre zum Boden sinken. Auch die Lava auf Titan ist nicht rotglühendes Gestein sondern eher mit aus dem Inneren hochgepressten Gletschern vergleichbar. Titan ist eine sehr ungewöhnliche erstaunliche Welt. Erdartige geophysikalische Prozesse finden in einer sehr ausserirdisch anmutenden Bedingungen statt
Die Wissenschaftlern sind sehr begeistert über diese Ergebnisse. Die Resultate sind sehr ermutigend und motivierend für die zukünftige Erforschung von Titan. Die Ergebnisse der wie geplant nur wenige Stunden dauernden Mission von Huygens wird die Wissenschaftlern über Jahre beschäftigen und helfen, die Beobachtungen der Raumsonde Cassini aus dem Weltraum besser zu verstehen.
Die Cassini-Huygens-Mission ist eine Kooperation zwischen NASA, ESA und ASI (Italien). Das Jet Propulsion Laboratory (JPL), eine Abteilung des California Institute of Technology, Pasadena, CA, USA, ist für die Missionsplanung zuständig. Cassini wurde von der NASA, Huygens von der ESA gebaut.
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