Exploration des Weltalls Teil 3: Jupiter und Saturn

Kann man auf den Gasriesen landen?

OHB Redaktionsteam
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von OHB Redaktionsteam, OHB SE

Bisher haben wir uns bei unserem Streifzug durch das Sonnensystem auf die inneren Planeten konzentriert. Diese werden auch als erdähnliche Planeten bezeichnet und haben viele Gemeinsamkeiten mit unserer Heimatwelt. Für eine wirklich exotische Erfahrung müssen wir schon zu den äußeren Planeten reisen. Zu diesen zählen Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Der Erde am nächsten liegen dabei die Gasriesen Jupiter und Saturn. Aber kommt hinter den Mars nicht erst noch der Asteroidengürtel? Und kann man auf Gasplaneten überhaupt landen?

Jupiter: Magnet für kosmisches Geröll

Gibt man Jupiter in ein Navigationssystem ein, wird man nicht zum Gasriesen Jupiter geführt, sondern zur gleichnamigen Kleinstadt im US-Bundesstaat Florida. Dabei ist der Jupiter kaum zu verfehlen. Mit einem Äquatordurchmesser von 143.000 Kilometern ist er gut elfmal so groß wie die Erde und mit Abstand der größte Planet in unserem Sonnensystem. Auch in Bezug auf seine Masse ist der Jupiter den übrigen sieben Planeten um Längen voraus: Alle anderen Planeten zusammen kommen nicht einmal auf die Hälfte der Masse des Riesenplaneten. Dadurch spielt der Jupiter eine entscheidende Rolle für das Massengleichgewicht im Sonnensystem und stabilisiert mit seiner Anziehungskraft den Asteroidengürtel, der die inneren von der äußeren Planeten trennt. Für das Leben auf der Erde ist das ein außerordentlicher Glücksfall, denn ohne diese stabilisierende Wirkung würde statistisch gesehen alle 100.000 Jahre ein Asteroid aus dem Asteroidengürtel die Erde treffen und den Planeten dadurch unbewohnbar machen.

Kann man den Asteroidengürtel durchfliegen?

Der Asteroidengürtel befindet sich zwischen den Bahnen von Mars und Jupiter. Ein Großteil der bisher in unserem Sonnensystem entdeckten Asteroiden bewegt sich in diesem Bereich. Die Größe der Objekte variiert stark und reicht von kaum staubkorngroßen Teilchen bis hin zum Zwergplaneten Ceres, der mit einem Äquatordurchmesser von 964 Kilometern gut ein Viertel so groß ist wie der Erdmond. Es wird angenommen, dass sich insgesamt zwischen 700.000 und 1,7 Millionen Asteroiden im Asteroidengürtel befinden, die mindestens einen Kilometer groß sind. Trotzdem ist es für Raumsonden nicht sonderlich gefährlich, den Asteroidengürtel zu durchfliegen, da sich die einzelnen Objekte auf einen weiten Bereich verteilen und sich dadurch in großen Abständen zueinander bewegen. Das in Science-Fiction-Filmen immer wieder gezeigte Szenario, in dem ein Raumschiff in waghalsigen Manövern heranrasenden Asteroiden ausweichen muss, ist somit weit entfernt von der Realität.

Mit seiner gewaltigen Schwerkraft stabilisiert der Jupiter nicht nur den Asteroidengürtel, er sammelt auch Monde. Bisher sind 79 Jupitermonde bekannt, die sich in verschiedene Gruppen unterteilen lassen:

Die vier größten Trabanten des Planeten, Io, Europa, Ganymed und Kallisto, wurden bereits 1610 von Galileo Galilei entdeckt. Sie bewegen sich auf planetennahen Bahnen und sind vermutlich gemeinsam mit dem Planeten entstanden. Trotz ihrer gemeinsamen Entstehung unterscheiden die Galileischen Monde sich deutlich in ihrer Beschaffenheit: Während Io sich durch einen ausgeprägten Vulkanismus auszeichnet, sind Europa, Ganymed und Kallisto Eismonde, unter deren gefrorener Oberfläche Ozeane aus flüssigem Wasser gefunden wurden.

Weitere planetennahe, aber deutlich kleinere und dadurch weniger regelmäßig geformte Monde sind Metis, Adrastea, Amalthea und Thebe. Auch diese Monde sind wahrscheinlich mit dem Jupiter gemeinsam entstanden.

Anders verhält es sich bei den übrigen Objekten, die den Jupiter umkreisen. Diese wurden erst mit der Zeit von der Schwerkraft des Planeten eingefangen.

Fast eine zweite Sonne

In seiner Zusammensetzung ähnelt der Jupiter eher der Sonne als den terrestrischen Planeten. Er besteht nahezu vollständig aus Gasen, in erster Linie Wasserstoff und Helium. Der entscheidende Unterschied zur Sonne liegt in der Masse. Sterne wie die Sonne setzen über einen weiten Zeitraum ihrer Entwicklung Strahlungsenergie durch die Umwandlung von Wasserstoff zu Helium frei. Für diese Kernfusion werden sehr hohe Temperaturen und ein extremer Druck benötigt. Sterne besitzen eine derart große Masse, dass diese Bedingungen erfüllt werden. Zwar nehmen auch in der Jupiteratmosphäre Druck und Temperatur mit zunehmender Tiefe stark zu, allerdings reicht die Masse des Planeten nicht aus, um die für Kernfusionsprozesse benötigten Werte zu erreichen. Damit überhaupt Kernfusionsprozesse einsetzen, muss ein Himmelskörper mindestens dreizehn Jupitermassen in sich vereinen und die Wasserstofffusion setzt sogar erst ab 80 Jupitermassen ein. Unsere Sonne bringt es auf 1.048 Jupitermassen und ist damit ein durchschnittlich großer Stern.

Ein heller Punkt am Nachthimmel

Von der Erde aus ist der Jupiter auch mit bloßem Auge am Nachthimmel zu erkennen. In den meisten Nächten ist er nach Mond und Venus das dritthellste Objekt. Im Teleskop erscheint der Jupiter nicht als kreisrunde Scheibe, sondern weist eine deutlich Abflachung an den Polen auf. Der Grund dafür sind die Fliehkräfte, die durch die extrem schnelle Rotation des Planeten entstehen. Für eine Umdrehung benötigt der Jupiter nur knapp zehn Stunden und ist damit in unserem Sonnensystem der Planet, der sich am schnellsten um seine eigene Achse dreht. Einen Umlauf um die Sonne absolviert der Jupiter in elf Jahren, 315 Tagen und drei Stunden.

Auf besser aufgelösten Aufnahmen des Planeten ist die ausgeprägte Bänderung seiner Atmosphäre zu erkennen. Bei den Bändern handelt es sich um Windstrukturen, die den Planeten mit verschiedenen relativen Strömungsgeschwindigkeiten parallel zum Äquator umkreisen. Die Bänder werden in hellere Zonen und dunklere Gürtel aufgeteilt. Neben den Zonen und Gürteln gibt es auch kleinere lokale Strukturen, von denen die auffälligste der sogenannte Große Rote Fleck ist. Bei diesem handelt es sich um einen gewaltigen Wirbelsturm, der bereits seit mindestens 300 Jahren existiert. Es ist so groß, dass er auch in Amateurteleskopen sichtbar ist und es wird vermutet, dass an seinen Rändern Windgeschwindigkeiten von über 600 Kilometern pro Stunde erreicht werden.

Gefährliche Strahlung

Jupiter besitzt das größte Magnetfeld aller Planeten in unserem Sonnensystem. Auf der sonnenabgewandten Seite ragt es als langer Schweif gut 700 Millionen Kilometer weit ins Weltall und damit fast bis in die Saturnbahn. Auf der sonnenzugewandten Seite interagiert das Magnetfeld mit dem aus geladenen Teilchen bestehenden Sonnenwind und wird dabei gestaucht. Nichtsdestotrotz beträgt seine Ausdehnung in Richtung der Sonne noch über sieben Millionen Kilometer. Entsprechend groß ist auch der Strahlungsgürtel, der den Jupiter umgibt. Das ausgedehnte Magnetfeld fängt ständig geladene Teilchen aus dem Sonnenwind und von den Jupitermonden ein. Einmal eingefangene Teilchen folgen den magnetischen Feldlinien auf spiraligen Bahnen und schwingen mit hoher Geschwindigkeit zwischen den Polen hin und her. Aufgrund ihrer hohen Energie sind sie dazu in der Lage, Elektronen aus Atomen oder Molekülen herauszuschlagen. Für Raumsonden stellt der Strahlungsgürtel deshalb eine Gefahr da.

Jupitersonden

Der Jupiter wurde bereits von mehreren Raumsonden besucht. Dabei absolvierte die Mehrheit der Sonden lediglich Vorbeiflüge oder führte Messungen während eines Swing-by-Manövers auf dem Weg zu anderen Zielen durch. Der erste Jupiterorbiter war die NASA-Sonde Galileo, die den Planeten mehr als sieben Jahre lang umkreiste. In dieser Zeit sammelte sie einen reichen Schatz an Daten, der aufgrund einer Fehlfunktion der primären Antenne allerdings nur zum Teil zu Erde übertragen werden konnte. Teil der Mission war zudem eine Eintrittskapsel, die in die Atmosphäre des Planeten eintauchte und dabei Erkenntnisse über Temperatur, Druck, Windgeschwindigkeit und chemische Zusammensetzung lieferte.

Kann man auf den Gasplaneten landen?

Die Gasriesen Jupiter und Saturn haben keine erkennbare feste Oberfläche. Zwar wird der Wasserstoff in der Atmosphäre der beiden Planeten mit zunehmender Tiefe flüssig, allerdings findet der Phasenübergang jenseits des kritischen Punktes statt. Das bedeutet, dass die Gasphase und die flüssige Phase die gleiche Dichte aufweisen und dadurch nicht eindeutig voneinander zu unterscheiden sind. In noch größerer Tiefe nimmt der Wasserstoff unter dem extrem hohen Druck der Atmosphäre metallische Eigenschaften an. Unter Laborbedingungen konnte metallischer Wasserstoff bisher nur bei Drücken von weit über 100 Gigapascal (1 Million bar) erzeugt werden. Zum Vergleich: Auf dem Nullniveau der Erde beträgt der Druck ungefähr 0,0001 Gigapascal (1 bar). Drücken dieser Größenordnung kann keine Sonde standhalten. Die Eintrittskapsel der NASA-Sonde Galileo drang etwa 160 Kilometer tief in die Atmosphäre ein, bevor vom Außendruck zerstört wurde. Kurz vorher registrierten die Instrumente noch eine Temperatur von 152 Grad Celsius und einen Druck von 22 bar.

Eine weitere NASA-Sonde befindet derzeit noch im Orbit um den Planeten: Juno (auch Jupiter Polar Orbiter) umkreist den Jupiter seit 2016 und sammelt Daten über das Magnetfeld des Planeten und die Zusammensetzung der Atmosphäre. Eine Besonderheit der Mission ist die Energiegewinnung durch Solarzellen. Diese stellt besondere Ansprüche an die Umlaufbahn der Sonde, da sowohl der Strahlungsgürtel des Planeten als auch sein Schatten gemieden werden müssen. Bis Juni 2018 absolvierte die Sonde zwölf Jupiterorbits, insgesamt sollen 32 Vorbeiflüge in niedriger Höhe durchgeführt werden. Nach dem Ende der Mission 2021 soll der Orbiter kontrolliert in der Jupiteratmosphäre verglühen. Dadurch soll sichergestellt werden, dass die Sonde nicht auf einem der großen Jupitermonde niedergeht und diesen möglicherweise mit irdischen Mikroorganismen kontaminiert.

Seit unter der Oberfläche der Eismonde Europa, Ganymed und Kallisto Anzeichen für das Vorhandensein von flüssigem Wasser gefunden wurden, hat das wissenschaftliche Interesse am Jupitersystem stark zugenommen. So wird bei Airbus Defence and Space derzeit im Auftrag der ESA die Sonde JUICE (JUpiter ICy Moons Explorer) gebaut. Das Ziel der Mission ist die Erforschung des Jupiter und seiner drei Eismonde. Dabei soll in erster Linie nach habitablen Umgebungen und Spuren von Leben in der Nähe des Gasriesen gesucht werden. Die Sonde soll 2022 starten und innerhalb von sieben Jahren das Jupitersystem erreichen. Für die wissenschaftliche Mission sind dreieinhalb Jahre angesetzt. OHB ist als Unterauftragnehmer ebenfalls an der Mission beteiligt: Das Kommunikationssubsystem der JUICE-Sonde wird bei Antwerp Space in Belgien gebaut.

Saturn: Antike Grenze des Sonnensystems

In vielerlei Hinsicht gleicht der Saturn dem Jupiter: Er ist der zweitgrößte Planet im Sonnensystem, besteht ebenfalls größtenteils aus Wasserstoff und Helium und um ihn nachts am Himmel zu erkennen, braucht man kein Teleskop. Er ist der äußerste Planet, der von der Erde aus noch mit bloßem Auge sichtbar ist. Bis zur Erfindung der ersten Fernrohre markierte er die Außengrenze unseres Sonnensystems.

Wie auch der Jupiter rotiert der Saturn mit hoher Geschwindigkeit: Für eine Drehung um sich selbst benötigt er zehn Stunden, 33 Minuten und 38 Sekunden. Da der Saturn die Sonne allerdings auf einer noch weiter außen liegenden Bahn umkreist, benötigt er für einen Umlauf noch einmal deutlich länger als der Jupiter, nämlich 29 Jahre und 166 Tage.

Markenzeichen Ringsystem

Das auffälligste Merkmal des Saturn ist definitiv das Ringsystem, das ihn in seiner Äquatorebene umgibt. Die Ringe wurden bereits 1610 von Galileo Galilei entdeckt, zunächst jedoch fälschlicherweise als Henkel gedeutet. Erst 45 Jahre später beschrieb der Niederländer Christiaan Huygens die ungewöhnliche Beobachtung korrekt als Ringsystem. Giovanni Domenico Cassini war schließlich der erste Astronom, der die Zusammensetzung des Ringsystems richtig erfasste: Er vermutete, dass sich das Ringsystem aus unzähligen kleinen Partikeln zusammensetzt, die den Saturn umkreisen.

Das Ringsystem wirft einen deutlich sichtbaren Schatten auf den Saturn, der umso ausgeprägter ist, je stärker die Äquatorebene des Planeten im Jahresverlauf gegenüber der Sonne geneigt ist. Insgesamt besteht das Ringsystem aus mehr als 100.000 einzelnen Ringen.

Die Entstehung der Ringe ist noch nicht abschließend geklärt. Eine Theorie besagt, dass es sich dabei um die Überbleibsel eines Mondes handelt, der bei der Annäherung an den Saturn von den Gezeitenkräften zerrissen wurde. Eine Abwandlung dieser Erklärung ist, dass das Material aus der Kollision eines Mondes mit einem anderen Himmelskörper stammt. Nach einer anderen Hypothese stammen die Ringe aus der Anfangszeit unseres Sonnensystems und sind gemeinsam mit dem Saturn aus dem präsolaren Urnebel entstanden. Um zu klären, welche dieser Theorien die richtige ist, müssen noch weitere Forschungsarbeiten durchgeführt werden.

Spitzenreiter in Sachen Monde

In unserem Sonnensystem ist der Saturn der Planet mit den meisten Monden. Allerdings hält er diesen Titel erst seit letztem Jahr. Von Hawaii aus haben Astronomen der Carnegie Institution for Science während einer Beobachtungskampagne insgesamt 20 neue Saturnmonde entdeckt. Damit hat der Saturn nun offiziell 82 Monde – drei mehr als der bisherige Spitzenreiter Jupiter. Die neu entdeckten Monde bewegen sich in relativ großem Abstand um den Saturn und sind zudem mit einem Durchmesser von unter fünf Kilometern eher klein.

Bereits seit 1655 bekannt ist hingegen der mit Abstand größte Saturnmond Titan, der von Christiaan Huygens entdeckt wurde. Der Eismond hat einen Durchmesser von 5.150 Kilometern und ist damit nach dem Jupitermond Ganymed der zweitgrößte Mond im Sonnensystem. Als einziger Mond besitzt Titan eine dichte Gashülle. Unter anderem deshalb gilt der Mond als erdähnlichster Körper im Sonnensystem. Zwar kreist er für das Vorhandensein von Leben an der Oberfläche zu weit außerhalb der habitablen Zone, unter der Oberfläche könnten aber durchaus Vorstufen von Leben vorhanden sein.

Saturnsonden

Auch der Saturn wurde bereits mehrfach von Sonden besucht. Wie auch beim Jupiter handelte es sich dabei mehrheitlich um Vorbeiflugsonden. Lediglich die aus einem Orbiter und einem Landemodul bestehende Mission Cassini-Huygens hielt sich über mehrere Jahre im Saturnsystem auf. Die gekoppelten Sonden von NASA und ESA wurden am 15. Oktober 1997 gestartet und schwenkten nach siebenjähriger Flugzeit am 1. Juli 2004 in eine Umlaufbahn um den Saturn ein. Am 25. Dezember 2004 trennte sich Huygens von Cassini und steuerte den Saturnmond Titan an. Da Fernerkundungsinstrumente die dichte Atmosphäre des Eismonds nur eingeschränkt durchdringen können, stieg Huygens auf die Oberfläche ab und nahm Untersuchungen in-situ vor. Dabei wurde unter anderem die Rolle von Methan für Erosionsprozesse auf dem Mond bestätigt. Die Cassini-Mission wurde mehrfach verlängert und endete am 15. September 2017 mit dem kontrollierten Eintritt der Sonde in die Saturnatmosphäre.