Die Erforschung des Riesenplaneten Jupiter durch die Galileo-Sonde Zwischenpräsentation zur Seminararbeit Michael Dietl, Q11 Am 27.6.2011

Gliederung Überblick Aufbau Probleme Missionsverlauf Ergebnisse

1. Überblick Sonde nach dem italienischen Naturwissenschaftler Galileo Galilei benannt Start am 18.10.1989 durch das Raumschiff Atlantis Ziele: - Erkundung der Jupiteratmosphäre - Erkundung der Jupitermonde - Erforschung der Magnetosphäre Geplanter Absturz am 21.9.2003 in die Atmosphäre des Jupiters

2. Aufbau 2.1 Hauptsonde

11 wissenschaftliche Instrumente: SSI-Kamera Nah-IR-Mapping-Spektrometer UV-Spektrometer EUV-Spektrometer Photopolarimeter / Radiometer Magnetometer-Sensoren Detektor für schnelle Teilchen Plasmadetektor Plasmawellen-Antenne Staubdetektor Schwerionenzähler

2.3 Aufbau der Tochtersonde (Atmosphärenkapsel)

6 wissenschaftliche Instrumente Athmospheric Structure Instrument Neutral Mass Spectrometer Helium Abundance Detector Nephelometer Net-flux Radiometer Lightning and Energetic Particles Investigation

3. Probleme 3.1 Startverzögerung Formelle Festlegung des Projekts am 1. Juli 1977 Vorsätzlicher Start im Januar 1982 mit einem bemannten Space Shuttle (als Transporter) ABER: - bemannte Raumfahrt geriet wegen Entwicklungs- probleme mit den komplizierten Haupt- triebwerken in Schwierigkeiten - Regierungswechsel in USA → Bürgerinitiative zur „Rettung Galileos“ Geplanter Shuttle-Start am 20.5.1986 → Ankunft 1988 (mit Hilfe einer Centaur-Raketenoberstufe soll sich Galileo aus dem Erdorbit „schießen“)

„VEEGA“ ABER: - Unglück der Raumfähre Challenger am 28. Januar 1986 - Einstellen der Produktion der Centaur-Raketen- oberstufe (wegen hoher explosivität durch Ver- brennung flüssigen Wasserstoffs und Sauerstoffs) → Mission drohte zu scheitern! → im September 1986 war eine Lösung in Sicht „VEEGA“ Venus-Earth-Earth-Gravity Assist (Gravitationsmanöver) Lediglich IUS (Inertial Upper Stage) als zugelassener Feststoffantrieb zum Start aus dem Erdorbit Richtung Venus → Verlängerung der Dauer (bei Start 1989 → Ankunft 1996) → Nähe zur Sonne (wegen Flyby an Venus) → Umrüsten

auf Cape Canaveral mit der Raumfähre Atlantis Geplanter Start im Oktober 1989 (vorbei an Venus, Erde, Erdmond, Gaspra und Ida) Geplante Ankunft im Dezember 1995 (fast 20 Jahre nach Projektbeginn) → Start am 18. Oktober 1989 auf Cape Canaveral mit der Raumfähre Atlantis

3.2 Hauptantenne Antenne aus Gold beschichteten Molybdändraht ist zwischen 18 Rippen aus Graphit-Expoxit aufgespannt Geplantes Öffnen der Hauptantenne am 11.4.1991 (durch 2 Motoren über Hebelmechanismus) → bislang zusammengefaltete Antenne bleibt im halb- offenen Zustand stecken → eine Seite der wie ein Regenschirm gefalteten Antenne war weiter aufgegangen als die andere Grund: verflüchtigtes Schmiermittel Vorläufig wird die Hilfsantenne für Übertragung der Daten von Gaspra verwendet Nach mehreren Bemühung: → Aufgeben der Hauptantenne 1993 und Entwurf eines neuen Missionsplans

3.2 Hauptantenne Antenne aus Gold beschichteten Molybdändraht ist zwischen 18 Rippen aus Graphit-Expoxit aufgespannt Geplantes Öffnen der Hauptantenne am 11.4.1991 (durch 2 Motoren über Hebelmechanismus) → bislang zusammengefaltete Antenne bleibt im halb- offenen Zustand stecken → eine Seite der wie ein Regenschirm gefalteten Antenne war weiter aufgegangen als die andere Grund: verflüchtigtes Schmiermittel Vorläufig wird die Hilfsantenne für Übertragung der Daten von Gaspra verwendet Nach mehreren Bemühung: → Aufgeben der Hauptantenne 1993 und Entwurf eines neuen Missionsplans

Mit Hilfsantenne wurden 2000 Bilder angestrebt (25mal weniger als geplant) Ziel: dreiviertel der ursprünglichen Missionsziele zu erreichen Eingeschränkte Kommunikationsmöglichkeit Funken einer neuen Software bei der Ankunft der Sonde bei Jupiter → „Hirnoperation Galileos in voller Fahrt“: - ein neues Datenkontrollsystem zur Erhöhung der Effizienz

4. Missionsverlauf

18. Oktober 1989: Start der Raumfähre Atlantis als Transporter der Raumsonde Galileo

Galileo wird von Atlantis getrennt und startet seine Triebwerke für VEEGA Richtung Venus

- Bewährungsprobe der Instrumente auf dem Weg zur Venus Flyby an der Venus (8.12.1990): - Definition (Flyby) Eintreten der Raumsonde in das Gravitationsfeld eines Planeten → massereicherer Körper zieht masseärmeren Körper mit deutlich höherer Gravitationskraft an Wobei Geschwindigkeit der Sonde > Flucht- geschwindigkeit des Planten geben sein muss Sonde wird auf eine hyperbelförmige Bahn abgelenkt → zur Eintrittsgeschwindigkeit der Sonde in das Gravitationsfeld addiert sich die Bahngeschwindigkeit des Planeten um die Sonne - Bewährungsprobe der Instrumente auf dem Weg zur Venus → Detektor für schnelle Teilchen und Schwerionenzähler sind eingeschaltet

1. Flyby an der Erde (8.12.1990) - wissenschaftliche Generalprobe → Nacheichen bestimmter Instrumente anhand des Mondes → Verteilung des Wasserdampfs in höheren Atmosphärenschichten

Flyby am Asteroiden Gaspra (29.10.1991) - 19 × 12 × 11 Kilometern - hunderte Einschlagskrater - enthält relativ zum Pyroxen mehr Olivin → stammt aus einem durch Kollision zerbrochenen größeren „Mutterplaneten“ - einer der am stärkst von einer Kugel abweichenden Körper im Sonnensystem

2. Flyby an der Erde (8.12.1992) - wissenschaftliche Experimente → Untersuchung der Erdmagnetosphäre → Nordpolregion des Mondes → Bilder der Anden → Laserkommunikation wurde erstmals getestet

Flyby am Asteroiden Ida mit seinem Mond Dactyl (28.8.1993) - 1,4 Kilometer und ca. doppelt so groß wie Gaspra - zahlreich Einschlagkrater - Mond mit 1,5 km Durchmesser - gleiches Rück- strahlvermögen der beiden Körper → gemeinsamer Ursprung liegt nahe

Einschlag der Fragmente von Shoemaker-Levy 9 (Juli 1994) - Photopolarimeter und Infrarotsprekrometer brauchen nur wenig Speicherplatz für Lichtkurven - Komete waren wegen Gezeitenkräfte in einzelne Frag- mente zersplittert - Einschlag des Fragments H bewirkt eine 2%-igen Anstieg der Helligkeit Jupiters

- 3 Ansichten des Spektakels: → Hubble Space Telescope → Infrarotteleskope auf der Erde → Galileos Infrarotspektrometer

Annäherung Jupiters – Abtrennen der Atmosphärensonde (13.7.1995) - Ende Januar 1995 Beendigung der Übertragung vom Kometencrash für die Vorbereitung auf Ankunft Galileos bei Jupiter → Umprogammierung der Sonde - 7. Juli Aktivierung der Kapsel → 12. Juli 1995 Abwurf - 27. Juli Abbremsmanövers

Einschuss in die Jupiterumlaufbahn (7.12.1995) - Beginn der Untersuchung des Jupitersystems nach dem Abwurf der Tochtersonde - Starten des großen Triebwerks um weg von Io zu kommen - bereit für je 3 Vorbeiflüge an Ganymed, Kallisto, Europa - Mai und Juni 1996: die Software wird erneut größtenteils ausgetauscht

5. Ergebnisse 5.1 Ganymeds Magnetfeld Selbst erzeugtes Dipol-Magnetfeld Teilweise flüssiger, metallischer Kern aus Eisen oder Eisensulfid → Dynamoprozess Antriebskraft zur Erhaltung des heißen Kerns: - Zerfall radioaktiver Isotope - Gezeitenkraft Jupiters

Gezeitenkräfte Jupiters Exzentrische Umlaufbahn der galileischen Monde um Jupiter → Monde bewegen sich schneller, wenn sie Jupiter nahe sind (beim Perijovium) → Monde bewegen sich langsamer, wenn sie vom Jupiter entfernt sind (beim Apojovium) nach dem 2. Gesetz Keplers Kleine Librationen der Monde auf der Umlaufbahn um die Verbindungslinie Jupiter-Mond (aufgrund der sich ändernden Anziehungskraft Jupiters mit radialer Entfernung der Monde) → Verformung und Reibung des Materials im inneren der Monde

5.2 Ozean auf Europa Entstehung der Ozeans: - Eiskruste auf Europa (Eis als eines der häufigsten Grundmaterialien im äußeren Sonnensystem) - Entscheidend ist das Verhalten von Eis mit zunehmenden Druck

Eis tritt abhängig vom Druck in verschiedenen Formen auf → verschiedenen Eisphasen (Eis I – Eis VIII) Eis I besitzt bei geringem Druck geringste Dichte (geringer als Wasser) → werden also bestimmte Werte von Temperatur und Dichte im Inneren Europas überschritten, bildet sich eine flüssige Wasserschicht, oberhalb der eine Eis- kruste liegt Zunehemende Wärme mit den Zerfall radiaktiver Isotope und Gezeitenkraft Jupiters zu erklären

Abhängigkeit der Schmelztemperatur ist extremer, wenn im Eis bzw Abhängigkeit der Schmelztemperatur ist extremer, wenn im Eis bzw. Wasser enthaltene Stoffe berücksichtigt werden, wie z.B. gelöste Salze oder Ammoniak (wie oben dargestellt)

Flüssiger Wasserschicht führt zu einer erhöhten Beweglichkeit der Eiskruste → Krustenbewegungen und z. T. Gezeitenkräfte prägen die Oberfläche mit „Furchen“

Oberfläche Europas

Beweis eines Ozeans Galileo entdeckt ein induziertes Magnetfeld bei Europa Achse des des magnetischen Dipolfeld Jupiters um 9.6º gegen die Rotationsachse geneigt Galileischen Monde umlaufen den Jupiter also in einem Magnetfeld periodischer Veränderungen der Richtung und der Stärke Salze im Ozean Europas dienen als elektrischer Leiter (elektrolytische Flüssigkeit) → Faradaysches Induktionsgesetz: In einem Leiter, der sich in einem veränderlichen Magnetfeld befindet, wird ein Strom erzeugt. → ein stromdurchflossener Leiter bildet ein Magnetfeld

5.3 Ios Vulkanismus Vulkanismus ist auf Gezeitenkräfte Jupiters zurückzuführen Vulkanausbrüche schleudern geladene, subatomare Teilchen in die Magnetosphäre Jupiters → Magnetfeld hält diese geladenen Teilchen ständig in Bewegung → Elektronenströme winden sich entlang magnetischer Feldlinien, die Io mit Jupiters Atmosphäre verbinden Vulkanismus ist auf Gezeitenkräfte Jupiters zurückzuführen Vulkanausbrüche schleudern geladene, subatomare Teilchen in die Magnetosphäre Jupiters → Magnetfeld hält diese geladenen Teilchen ständig in Bewegung → Elektronenströme winden sich entlang magnetischer Feldlinien, die Io mit Jupiters Atmosphäre verbinden „stärkster Stromkreis im Sonnensystem“

5.4 Kallisto Alte Oberfläche mit unzähligen Einschlagkrater Undifferenziertes Innere (aus Gestein/Eis Mischung) ohne Kern, aber mit Eiskruste (wegen einer nicht allzu großen Aufheizung des Inneren in der Vergangenheit) Induziertes Magnetfeld: - undifferenzierter Aufbau vergleichbar mit einer induktiven hohlen Kupferkugel - Salz in der Oberfläche (Eis) als Leiter - veränderliches Magnetfeld durch Neigung gegen die Rotationsachse Jupiters → Induktion eines Stromes (→ Faradaysches Induktionsgesetz) der nach der Lenzschen Regel so fließt, dass er ein Magnet- feld bildet, das dem Magnetfeld Jupiters entgegenwirkt

Quellen Fischer, Daniel: Mission Jupiter, Die spektakuläre Reise der Raumsonde Galileo,Birkhäuser Verlag, Berlin 1998 T.V. Johnson, „Jupiter und seine Monde – Entdeckungen der Galileo-Mission“, Spektrum der Wissenschaft 22, Nr.4, 41 (2000) H. Hußmann, F. Sohl, „Die Ozeane der Jupitermonde“, Sterne und Weltraum 41, Nr. 7, 23 (2002) Galileo bei Ganymed, Sterne und Weltraum 35, Nr.10, 720 (1996) Ein Jahr nach dem Absturz des Kometen Shoemaker/Levy auf Jupiter, Sterne und Weltraum 34, Nr. 10, 712 (1995) http://solarsystem.nasa.gov/galileo/mission/index.cfm http://solarsystem.nasa.gov/galileo/index.cfm http://de.wikipedia.org/wiki/Galileo_%28Raumsonde%29