|
|
|
 |
|
 |
||||||||||
|
||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Geschichte der Erforschung des Planeten Saturn. Dieses Thema ist zu umfangreich, um alle Aspekte in einem Beitrag umfassend beschreiben zu können. Es werden deshalb nur einige wesentliche Meilensteine in der Saturnforschung beschrieben.
Der Planet Saturn ist seit dem Altertum bekannt und der entfernteste deutlich mit bloßem Auge sichtbare Planet. Mit dem bloßen Auge ist er nur als Lichtpunkt zu erkennen.
Es fiel lediglich auf, dass seine Oppositionshelligkeiten innerhalb eines 29-jährigen Umlaufs regelmässigen Schwankungen unterlegen sind: Alle 15 Jahre ist er am hellsten. Genau zwischen den Zeitpunkten mit größter Helligkeit tritt ein Helligkeitsminimum ein. Der Grund hierfür konnte erst mit der Entwicklung besserer Teleskope entschlüsselt werden. Wir kommen später darauf zurück.
Galileo Galilei beobachtete im Jahre 1610 den Saturn mit seinen noch sehr primitiven Fernrohren.
Er erkannte die Ringe aufgrund der geringen Auflösung und Vergrößerung seiner Teleskope nicht als solche: Sie erschienen ihm wie zwei Trabanten des Saturn, er hielt Saturn für einen Dreifachplaneten. Galilei beobachtete, dass die Monde nach ein paar Jahren verschwanden, um einige Jahre später wieder aufzutauchen.
Christiaan Huygens hat die Erkenntnisse über Saturn revolutioniert. Er entdeckte am 25. März 1655 den größten Saturnmond Titan.
Im Laufe der Zeit erkannte er, dass die Ohren des Saturn ein frei schwebendes Ringsystem ist. Das Verschwinden der Ringe erklärte er richtig durch den stetigen Wechsel des Winkels, aus dem wir auf die Ringe schauen. Blicken wir auf die Kante der Ringe, verschwinden sie für den Betrachter im Teleskop. Diese Beobachtung erklärt auch die Helligkeitsschwankungen Saturns, die Huygens im Jahre 1659 veröffentlicht hat.
Das Bild zeigt die Originalskizze von Huygens, die die Veränderung der Ringansichten richtig deutet:
 |
Giovanni Domenico Cassini hat die Erforschung des Saturn wie kein anderer Wissenschaftler seiner Zeit vorangetrieben. In Paris entdeckte er vier Saturnmonde: Iapetus (1671), Rhea (1672), Dione (1684) und Tethys (1684).
Cassini entdeckte auch die Helligkeitsschwankung von Iapetus: auf einer Seite des Saturns ist er eine Größenklasse heller als auf der gegenüberliegenden Seite. Cassini konnte Iapetus stets nur auf einer Seite des Satrurn beobachten. Cassini folgerte hieraus, dass Iapetus wie der Erdmond eine gebundene Rotation aufweist und eine helle und eine dunkle Hälfte hat.
Diese Beobachtung wurde im Raumfahrtzeitalter bestätigt und gilt noch heute als das älteste planetologische Rätsel. Iapetus war neben Mond und Mars der einzige feste Körper im Sonnensystem, der aufgrund seiner Helligkeitsschwankungen Rückschlüsse auf die Oberflächenbeschaffenheit zuließ.
Eine weitere wichtige Entdeckung ließ Cassini in die Geschichte der Astronomie eingehen: Im Jahre 1675 entdeckte er eine ca. eine Bogensekunde breite Teilung in den Saturnringen. Diese Teilung ist heute als Cassini-Teilung bekannt und in jedem Amateurteleskop je nach Stellung der Saturnringe und Seeing ab etwa acht Zentimeter Teleskopöffnung beobachtbar.
Sir William Herschel war einer der bedeutendsten Astronomen der Geschichte. Seine Teleskope waren für die damalige Zeit überdurchschnittlich gut. Aufgrund dieses Umstandes waren ihm Beobachtungen und Entdeckungen möglich, die seinen Zeitgenossen verborgen blieben.
Sein größtes Teleskop hatte 122 Zentimeter Öffnung und war seinerzeit das weltgrößte Teleskop. Seine Spiegel bestanden aus Metall-Legierungen und hatten etwa das Lichtsammelvermögen eines modernen Teleskops mit 30 Zentimeter freier Öffnung.
Dieser instrumentelle Vorteil Herschels wirkte sich auch auf seine Saturnbeobachtungen aus. So gelang es ihm als ersten Astronomen, die Rotationsgeschwindigkeit Saturns zu messen. Dies ist ein äusserst schwieriges Unterfangen, da die Saturnatmosphäre praktisch nur parallele Bänder zeigt, die so gut wie nie visuell verfolgbare Details aufweisen, aus denen man die Rotationsdauer bestimmen könnte.
Herschel ist auch der Entdecker von drei Saturnmonden: Mimas und Enceladus (1789) sowie Hyperion (1848).
Die Einführung der Astrofotografie erlaubte es, längere Belichtungszeiten anzuwenden und somit lichtschwächere Monde zu entdecken, die der Beobachtung mit dem bloßen Auge nicht zugänglich sind.
Als Meilenstein dieser Beobachtungsmethode sei die Entdeckung des Saturnmondes Phoebe genannt. Er wurde 1898 von William Pickering in Peru als erster Saturnmond fotografisch entdeckt.
Die fotografische Beobachtung des Saturnsystems ist keinesfalls eine veraltete Disziplin. Bis in die heutige Zeit werden trotz hoch entwickelter Satellitenmissionen fotografische Beobachtungen des Saturnsystems durchgeführt.
Ein Ziel ist die Entdeckung neuer, kleiner und somit lichtschwacher Monde des Saturn. Mit dieser Vorgehensweise werden auch heute noch Saturnmonde entdeckt. Solche Beobachtungen werden meist mit sehr großen Spiegelteleskopen vorgenommen.
Mit dem Hubble Weltraumteleskop wurde Saturn regelmässig beobachtet. Mit solchen Beobachtungen kann man über Jahre hinweg Veränderungen in der Atmosphäre des Saturn erfassen, die dann von ggf. von der seit 2004 den Saturn umkreisenden Raumsonde Cassini näher untersucht werden können. Eine Raumsonde kann nicht ständig den ganzen Planeten erfassen, so dass solche Beobachtungen von der Erde aus auch für die Missionsplanung von Cassini wichtig sein können.
Etwa alle 30 Jahre, also einmal pro Saturn-Jahr, erscheinen in der Saturnatmosphäre temporäre, weisse Flecken, die als Wolkenformationen interpretiert werden. Solche Erscheinungen können primär nur mit erdgebundenen Beobachtungen untersucht werden, da sich über Jahrzehnte hinweg nicht permanent eine Raumsonde am Saturn befindet.
Der fotografischen Saturnbeobachtung wird also auch in Zukunft eine große Bedeutung zukommen.
Die Erforschung mit Raumsonden hat unser Wissen über das Saturnsystem revolutioniert. Die Atmosphäre und das Ringsystem konnten viel detaillierter beobachtet werden, als es mit erdgebundenen Teleskopen möglich ist.
Die Monde des Saturn erscheinen im erdgebundenen Teleskop als sternförmige Lichtpunkte (lediglich Titan kann mit großen Teleskopen und dem Hubble als Scheibe aufgelöst werden). Erst die Satellitenmissionen ermöglichten es, die Monde im Detail zu erforschen.
Es gab vier Satellitenmissionen zum Saturn: die ersten drei waren sog. Flyby-Missionen und passierten den Saturn mit seinen Monden, ohne in einen Orbit einzuschwenken: Pioneer 11 sowie Voyager 1 und 2. Die aktuelle Saturnmission, Cassini-Huygens, ist der erste Orbiter, der Saturn erforscht.
Pioneer 11 war die erste und technisch einfachste Mission, die am Saturn vorbei führte. Sie passierte den Ringplaneten am 1. September 1979 in 21000 Kilometern Entfernung. Die Hauptaufgabe der Pioneer-Sonden war es, zu prüfen, ob der Asteroidengürtel von einer Raumsonde durchquert werden kann, ohne Schaden zu nehmen. Aus diesem Grund war Pioneer 11 auch mit für damalige Verhältnisse relativ einfachen Instrumenten ausgerüstet, um im Falle einer befürchteten Kollision im Asteroidengürtel den Schaden möglichst gering zu halten. Beispielsweise hatte Pioneer 11 keine echte bildgebende Kamera an Bord, sondern lediglich einen Belichtungsmesser, aus dessen Daten die bekannten Bilder simuliert wurden.
Das folgende Bild zeigt eine Gesamtansicht des Saturn mit seinem Mond Titan, aufgenommen von Pioneer 11.
 |
In Dieser Hinsicht war Pioneer gewissermaßen das "Versuchskaninchen" für die bereits in Planung befindlichen Voyager-Missionen (siehe unten).
Dennoch hat Pioneer 11 einige wichtige Erkenntnisse über das Saturnsystem übermittelt:
Die Teilungen zwischen den Ringen sind nicht völlig frei von Materie, sondern mit Staubteilchen gefüllt.
Eine wesentliche Erkenntnis war, dass Saturn mehr Energie abstrahlt, als er von der Sonne erhält. Dieser Effekt ist auf die Gravitationsenergie des Saturn zurückzuführen. Er ist ein Relikt aus der Akkretionsphase des Sonnensystems.
Es wurde auch das Magnetfeld des Saturns aus der Nähe erforscht. Erdgebundene Erforschungen des Magnetfeldes eines Planeten sind nur schwer möglich.
Eine ebenso enttäuschende wie interessante Entdeckung verdanken wir Pioneer 11: Der Saturnmond Titan hat eine dichte Atmosphäre, die keinen Blick auf die Oberfläche zuließ. Einerseits war dies eine Enttäuschung für die Geologen, andererseits lässt eine dichte Atmosphäre die Hoffnung auf ausserirdisches Leben ein wenig realistischer erscheinen. Weitere Analysen zeigten jedoch, dass Titans Oberfläche für Leben zu kalt ist.
Voyager 1 und 2 waren ein Meilenstein der Saturnforschung, da erstmals hoch aufgelöste Bilder des Saturn und seiner Monde zur Erde gefunkt werden konnten. Es waren sog. Flyby-Manöver. Sie wurden durch das Saturn-System hindurch gesteuert, ohne in einen Orbit um Saturn einzuschwenken. Dies hatte zur Folge, dass einige Monde nur aus größerer, suboptimaler Entfernung aufgenommen werden konnten. Dennoch wurden bahnbrechende Erkenntnisse gewonnen.
Voyager 1 passierte Saturn am 13. November 1980, ihre baugleiche Schwestersonde Voyager 2 folgte am 26. August 1981.
Beide Sonden fertigten für damalige Verhältnisse hochaufgelöste Aufnahmen von Saturn, seinen Ringen und seinen Monden an. Sie entdeckten neue Monde sowie neue Ringe und Ringstrukturen. Die berühmten "Speichen" in den Saturnringen sind eine Entdeckung von Voyager-Bilddaten.
Die größeren Saturnmonde zeigten erstmals ihre charakteristischen Oberflächenstrukturen. Enceladus zeigte bereits seine charakteristischen Brüche und verschieden stark bekraterte Oberflächen, die auf unterschiedliche geologische Alter hindeuten. Bei Iapetus erkannte man deutlich die verschieden gefärbten Hemisphären, und man konnte die Albedos bestimmen. An der Grenze der Auflösung zeigte sich bereits der berühmte Bergrücken. Diese beiden Beispiele aus tagesaktuellen planetengeologischen Forschungen zeigen deutlich, dass die Grundlagen unseres Wissens über das Saturnsystem von Voyager gelegt wurden.
Das Foto zeigt den Saturnmond Enceladus, aufgenommen von Voyager 2.
 |
Am Ringsystem sei als wesentliche Entdeckung von Voyager 2 die Keeler-Lücke genannt. Das ist die nur 42 Kilometer breite Lücke, durch die Cassini-Huygens im Anflug an Saturn hindurch geflogen ist.
Die Flugbahn von Voyager 1 war so ausgelegt, dass die Sonde Titan bestmöglich beobachten konnte. Aufgrund der dichten Atmosphäre konnte auch Voyager 1 nicht auf die Oberfläche schauen. Stattdessen wurden spektrale Untersuchungen vorgenommen, die zeigten, dass Titans Atmosphäre hauptsächlich aus Stickstoff und Methan besteht.
Die Zeitspanne zwischen den Vorbeiflügen von Voyager 1 und 2 war lang genug, um Veränderungen in den Ringen und der Atmosphäre von Saturn zu registrieren. Hierbei zeigt sich ein weiteres Mal die Wichtigkeit regelmässiger Beobachtungen.
2009 befinden sich die Voyager-Sonden auf dem Weg zur Grenze zum interstellaren Raum und funken nach wie vor Telemetriedaten zur Erde.
Seit Juni 2004 umkreist die NASA-Sonde Cassini-Huygens den Saturn. Es ist die erste Sonde, die Saturn aus dem Orbit erforscht.
Dies eröffnet völlig neue Möglichkeiten zur Erforschung des Saturnsystems. Die Orbits können so geplant werden, dass gezielte Vorbeiflüge (sog. Flybys) an einzelnen Monden durchgeführt werden können.
Jeder Mond wird je nach den auf ihm vorhandenen Strukturen und der Orbitgeometrie mehr oder weniger häufig gezielt angeflogen. Diese Form der Missionsplanung ermöglicht Aufnahmen der Mondoberflächen von extrem hoher Auflösung. Am Beispiel des Saturnmondes Iapetus sei dies gezeigt: Voyager fotografierte Iapetus mit einer Auflösung im Kilometerbereich. Cassini hingegen konnte den Mond im Moment der größten Annäherung mit einer Auflösung im Bereich von zehn Meter pro Pixel erfassen.
Aufgrund der Infrarot- und Radarkameras von Cassini war es auch erstmals möglich, durch die dichte Titanatmosphäre hindurch zu sehen und Aufnahmen der Titanoberfläche zu erhalten.
Das Foto zeigt die Oberfläche von Titan, aufgenommen von Cassini. Die dunklen Bereiche sind Methanseen.
 |
Das folgende Foto zeigt den Saturnmond Enceladus, aufgenommen von Cassini. Es demonstriert den Qualitätsgewinn gegenüber Voyager (siehe oben).
 |
Die regelmässige Beobachtung der Saturnatmosphäre ermöglicht die Erfassung von Veränderungen im Wettergeschehen. Die Beobachtung von Veränderungen von Sturmsystemen ist erst durch eine permanente Saturnbeobachtung aus dem Orbit möglich geworden.
Ein Höhepunkt der Cassini-Mission ist die erfolgreiche Landung der ESA-Sonde Huygens auf dem Saturnmond Titan am 14. Januar 2005. Es war das erste Mal überhaupt, dass eine Sonde auf einem Mond eines äusseren Planeten landete.
Während des Abstiegs wurden chemische und meteorologische Messungen der Atmosphäre vorgenommen, die die spektroskopischen, fernerkundlich gewonnenen Messungen bestätigten.
Das Highlight der Huygens-Mission ist jedoch unbestritten die fotografische Nahaufnahme der Titanoberfläche. Während des Abstiegs wurden Landschaften aufgenommen, die an eine irdische Küstenregion erinnern: Es zeigten sich deutlich Flusssysteme, die ähnlich einem Entwässerungsnetz auf einen Methansee zufließen.
Das Foto zeigt die Landschaft während des Landeanfluges von Huygens:
 |
Nach der Landung zeigte sich eine Landschaft, die den Nahaufnahmen der Marsoberfläche ähnlich ist: zahlreiche, abgerundete Brocken aus Wassereis bedecken eine wüstenähnliche Landschaft.
Das folgende Foto zeigt diese Landschaft:
 |
Dieser Artikel kann insbesondere bei den Satellitenmissionen nur einen zusammen fassenden Überblick über die Erforschung des Saturnsystems bieten. Insbesondere über Cassini ließen sich zahlreiche eigene Artikel mit dem Umfang des vorliegenden Beitrags schreiben. Für die Zukunft wird sicherlich die von den Raumfahrtbehörden postulierte Titan-Sonde von besonderem Interesse sein. Wir haben eine spannende und interessante Zukunft vor uns.
|
|||||||||||
|
|||||||||||
