Die Voyager Missionen

Die Trägerrakete Titan IIIE/Centaur

Die Titan-Rakete ist eine Rakete, die ursprünglich als militärische Interkontinentalrakete von Martin Marietta gebaut wurde, jedoch später ihre Hauptanwendung als Trägerrakete in der Raumfahrt fand. Sie war von den USA eigentlich als Ersatz für die Atlas-Interkontinentalrakete konzipiert. Durch vielfältige Modifikationen entstand eine ganze Familie von Interkontinental- und Trägerraketen.
Die 1974 entwickelte Titan IIIE/Centaur-Variante verfügt über eine leicht modifizierte Oberstufe, die die Nutzlast für hohe Umlaufbahnen optimierte und somit ermöglichte, bis zu 1,5 t auf eine Bahn zum Jupiter zu schicken (Voyager Sonden = ca. 800 kg). Bei einer Länge von knapp 49 m und einem Durchmesser von nur 3 m ist sie fast 2 m höher als ihr Vorgänger.

Titan-IIIE Centaur beim Start von Voyager 2 am 20. August 1977

Übersicht über die Titan-Raketenfamilie

Bauskizze des Aufbaus einer Titan-IIIE Centaur-Rakete

Die Voyager Sonde

Die Voyager Sonden sind mehrere Meter große und ca. 800 kg schwere Raumsonden. Sie bestehen im Wesentlichen aus einer zentralen, ringförmigen Aluminiumzelle (Durchmesser ca. 1,80 m), die im Querschnitt zehneckig ist und einen Großteil der Elektronik beherbergt, einer Parabolantenne und einem 2,5 m langen Ausleger, der den Großteil der wissenschaftlichen Instrumente trägt. Die Energie wird von drei Radionuklidbatterien erzeugt.
Voyager 1 und Voyager 2 sind baugleich.

Grußbotschaft von UN-Generalsekretär Kurt Waldheim

Golden Record Die Voyager Golden Records sind Datenplatten mit Bild- und Audio-Informationen, die an Bord der Voyager Sonden angebracht sind. Die Datenplatten wurden als Botschaften an Außerirdische in der Hoffnung hergestellt, etwaige intelligente, außerirdische Lebensformen könnten dadurch von der Menschheit und ihrer Position im Universum erfahren.
Die Datenplatte ist eine 30 Zentimeter große, vergoldete Scheibe aus Kupfer. Die Datenspur enthält 115 analog gespeicherte Bilder sowie einige Audiodateien (Siehe Beispiel rechts).

Cape Canaveral Air Force Station

Die Cape Canaveral Air Force Station (CCAFS) ist ein Raketenstartgelände der U.S. Air Force am Cape Canaveral in Florida, nördlich von Cocoa Beach.
Während des Zweiten Weltkriegs wurde dieses Gebiet von der Air Force als Flugplatz benutzt. In den 1950er Jahren fanden hier schon die ersten Raketenstarts statt. Die ersten bemannten Raumflüge der USA (Mercury-, Gemini- und Apollo 7) starteten ebenfalls hier. Seit dem Flug von Apollo 8 im Dezember 1968 starten jedoch alle bemannten Raketen der USA (Apollo-Programm und Space Shuttle) im direkt nordwestlich gelegenen Weltraumbahnhof der NASA, dem Kennedy Space Center (KSC).

Luftaufnahme des Kennedy Space Flight Centers in Florida, USA.

Start der Voyager 2 Sonde mittels einer Titan IIIE-Rakete.

Die Erkundung des Jupiters

Durch ihren Geschwindigkeitsvorteil kam Voyager 1 zuerst im Jupiter-System an. Die wissenschaftlichen Beobachtungen begannen am 14. Dezember 1978, 80 Tage vor dem Vorbeiflug am Planeten.
Die Hauptphase der Untersuchung begann am 4. März 1979, als die Sonde nur noch einen Tag vom Jupiter entfernt war. Neben dem Planeten selbst und seinen Ringen wurde auch der Mond Io untersucht, dem sich die Sonde am 5. März auf bis zu 18.460 km näherte. Noch am selben Tag wurden Ganymed in einer Entfernung von 112.030 km und Europa in einer Distanz von 732.270 km untersucht. Am nächsten Tag näherte sich Voyager 1 dem letzten zu untersuchenden Mond Kallisto auf bis zu 123.950 km an.
Voyager 1 entdeckte beim Durchfliegen des Systems zwei neue Monde, Metis und Thebe, sowie den schwach ausgeprägten Planetenring um Jupiter, dessen Existenz bereits nach der Pioneer-11-Mission vermutet worden war. Auf Io entdeckte Voyager 1 neun aktive Vulkane.

Der Große Rote Fleck (hier in einer Aufnahme von Voyager 1) umkreist als größter Wirbelsturm des Sonnensystems ständig den Jupiter. Er wurde bereits vor 300 Jahren auf Zeichnungen festgehalten. Damals wurde er durch einfache Ferngläser beobachtet.

Jupiterannäherung (Dauer: 25 Erdtage, 27 Mio. km Strecke).

Ausbruch eines Vulkans auf Jupitermond Io. Io ist der drittgrößte Mond des Jupiters mit einem Druchmesser von 3643 km.

Die Erkundung des Saturns

Am 10. November 1980 traf Voyager 1 im Kernbereich des Saturn-Systems ein, neun Monate vor ihrer Schwestersonde. Am nächsten Tag wurde der Mond Titan untersucht. Man hatte bereits vor der Mission von der Methan-Atmosphäre gewusst, und einige Wissenschaftler hielten es für denkbar, dass der Treibhauseffekt eventuell Leben auf der Oberfläche ermöglichen konnte. Da eine Smogwolke die Oberfläche verdeckte konnte diese nicht erforscht werden, daher wurden das IRIS- und das UVS-Instrument auf den Rand der Atmosphäre ausgerichtet, um wenigstens diese genau analysieren zu können. Trotz der damals nicht untersuchbaren Oberfläche von Titan konnten über seine Atmosphäre einige neue Erkenntnisse gewonnen werden. Neben dem großen Anteil von Stickstoff wurden auch Spuren von Methan, Ethen und anderen Kohlenwasserstoffen entdeckt. Die Atmosphäre selbst wurde als sehr ausgedehnt und dicht erkannt, jedoch deutlich zu kalt für Leben.

Die 5,3 millionen Kilometer entfernte Saturnsichel. Aufnahme von Voyager 1, vier Tage nach der größten Annäherung.

Nachaufnahme der Saturatmosphäre. Die kleinen braunen Ovale am rechten Rand des Bildes besitzen eine ähnliche Struktur wie Jupiters Großer Roter Fleck.

Bild des Saturnmonds Titan vom 11. November 1980. Titan ist Saturns größter Mond mit einem Durchmesser von 5150 km und der einzige im Sonnensystem mit einer dichten Atmosphäre.

Die Erkundung des Uranus

Am 4. November 1985 begann Voyager 2 ihre Beobachtungen von Uranus. Vor der Passage des Planeten wurden neben den fünf bis dahin bekannten Uranusmonden zehn weitere, kleinere entdeckt: Puck, Juliet, Portia, Cressida, Desdemona, Rosalind, Belinda, Cordelia, Ophelia und Bianca. Der Mond Perdita wurde erst 13 Jahre später anhand von Aufnahmen der Sonde bestätigt. Ihr Vorbeiflug am Uranus erfolgte am 24. Januar 1986 in einem Abstand von etwa 81.500 km. Dabei wurde viel Wert auf die Erforschung Uranus einzigartiger Atmosphäre gelegt, die durch die 97.8° Achsneigung des Planeten hevorgerufen wird. Ihre geringste Entfernung bestand zum Mond Miranda mit etwa 29.000 km. Ihre Ablichtungen des Uranussystems endeten am 25. Februar 1986.

Aufnahme des Uranus vom 16. Dezember 1986.

Falschfarbenbild der Uranusringe (von rechts: Epsilon, Delta, Gamma, Eta, Beta, Alpha, 4, 5 und 6) aus einer Entfernung von über 4 millionen Kilometern.

Abschlussbild der Uranussichel als sich Voyager 2 bereits fast 1 millionen Kilometer von ihr entfernt hat.

Veranschaulichung der einzigartigen Achsneigung Uranus. Die knapp 98° geneigte Rotationsachse des Planeten liegt annähernd in seiner Bahnebene, er „wälzt“ sich gewissermaßen in dieser voran, wenn die Achse in Richtung Sonne zeigt.

Die Erkundung des Neptun

Am 6. Juni 1989 begann die aktive Neptun-Phase der Sonde, zwei Monate später war eine intensivere Beobachtung möglich. Der Vorbei­flug erfolgte am 26. August in einer Entfernung von 4828 km. Die Beobachtungsphase endete am 2. Oktober 1989, nachdem über 9000 Bilder übertragen wurden.
Durch Radiosignale konnte bereits vor der aktiven Phase die innere Rotationsgeschwindigkeit des Neptun bestimmt werden.
Während der Primärphase konnten durch sehr lange belichtete Aufnahmen die Ringe Neptuns gefunden werden, deren Existenz man zuvor nur vermuten konnte. Zudem wurden neun zuvor unbekannte Monde entdeckt. Der Fokus der wissenschaftlichen Mission wurde aber auf die Erforschung des bereits bekannten Mond Triton gelegt. Sein Durchmesser konnte auf 2760 km bestimmt werden.

Voyager 2 entdeckte eine Großen Dunklen Fleck. Der, wie das Weltraumteleskop Hubble herrausfand, seither verschwunden ist. Forscher vermuten, dass es sich dabei um ein temporäres Loch in der sonst geschlossenen Wolkendecke gehandel haben könne.

Zwei zusammengesetze Aufnahmen der Weitwinkelkamera Voyager 2 mit einer Belichtungs­zeit von 591 s. Die Bilder sind vom 26 August 1989 aus einer Entfernung von 280.000 km aufgenommen wurden und zeigen die Ringe des Neptun.

Tritons Oberfläche zeigte kaum Einschlagskrater und wies ein eher geriffeltes Profil ohne große Höhenauffälligkeiten auf. Als vorherrschende Farben erschienen Braun und Weiß. Letzteres ist ein Resultat der vulkanischen Aktivitäten auf dem Mond. Geysire schleudern große Mengen flüssigen Stickstoffs in die Höhe, welcher dann bei −210 °C gefriert und als weißer Stickstoffschnee auf der Oberfläche niedergeht.

Die Voyager Interstellar Mission

Während Voyager 2 von Saturn aus weiter in Richtung Uranus und Neptun flog, befindet sich Voyager 1 seit der Saturnpassage auf dem Weg zu den äußeren Bereichen des Sonnensystems und in den interstellaren Raum. Am 1. Januar 1990 begann die letzte Phase der Mission: die „Voyager Interstellar Mission“ (VIM). Im Februar 1998 „überholte“ Voyager 1 die Sonde Pioneer 10 und ist seitdem das am weitesten entfernte Objekt, das von Menschen geschaffen wurde, wie auch dasjenige mit der höchsten Entweichgeschwindigkeit im Sonnensystem.

Ziel der Mission ist die Analyse der :

  • Stärke und Ausrichtung des Magnetfeldes der Sonne
  • Zusammensetzung, die Richtung und die Energiespektren von Sonnenwind und kosmischer Strahlung
  • Stärke von Radiowellen, die vermutlich aus der Heliopause stammen
  • Verteilung von Wasserstoff im Bereich der äußeren Heliopause

Das erste „Porträt“ das je von unserem Sonnen­system gemacht wurde. Aufgenommen von Voyager 1 aus einer Entfernung von 6 Mrd. Kilometern. Die Erde ist als "Pale Blue Dot" ("Blassblaues Pünktchen") im markierten Bereich zu finden. Die Bildfehler sind Ergebnis der starken Vergrößerung.

Seitenansicht der Sonne mit idealisiertem Dipolfeld zu einem Sonnenfleckenminimum: die Feldlinien des Sonnenmagnetfelds (blau) und die Sonnenwindströmung (rot). In gelb gestrichelt die heliosphärische Stromschicht.

Animierter Flug von der Sonne bis zur Heliopause. Das Standbild zeigt den Ausgangspunkt der Reise, die Sonne.

Die Heliosphäre der Sonne

Der Termination Shock bezeichnet eine der äußeren Grenzen des Sonnensystems. Die Grenze befindet sich dort, wo die Partikel des Sonnenwindes durch die Wechselwirkung mit dem interstellaren Gas abrupt abgebremst und aufgeheizt werden. Außerhalb des Termination Shock befindet sich das Heliosheath (Sonnenumhüllung). Welche je nach Bewegungsrichtung des Sternes 10 - 100 AE (Astronomische Einheiten) breit sein kann (siehe Grafik).
Die theoretische Grenze der letzten materiellen Einwirkung des Sonnenwindes auf das interstellare Gas wird Heliopause genannt, da dort alle direkte solare Einwirkung endet. Hier vermischen sich die Partikel des Sonnenwindes mit dem interstellaren Gas und haben keine erkennbare herausstechende Strömungsrichtung im Vergleich mit dem die Heliosphäre umgebenden Gas.

Heliosphäre unter Einfluss des interstellaren Gases. Eingezeichnet sind Voyager 1 und Voyager 2.

Bild eines Bow Shock mit circa einem halben Lichtjahr Durchmesser, hervorgerufen durch den Sonnenwind des Sterns LL Orionis bei der Kollision mit der vergleichsweise dichten interstellaren Materie des Orionnebels.

Veränderung der Teilchendichten am Termination Shock und an der Heliopause gemessen von Voyager 1.

Die Supernova SN 1987A

SN 1987A ist die erdnächste Supernova, die seit der Supernova 1604 beobachtet werden konnte. Sie wurde am 24. Februar 1987 entdeckt und fand in der Großen Magellanschen Wolke statt. Diese ist etwa 48.000 ± 5.000 Parsec entfernt, was rund 157.000 ± 16.000 Lichtjahren entspricht.
SN 1987A war die erste Supernova, bei der man den Vorgänger­stern identifizieren konnte. Der mit seinem Kernkollaps die Explosion auslösende Stern war Teil eines Dreifachsternsystems. Der Blaue Überriese besaß 17 Sonnenmassen und wurde „nur“ 20 Millionen Jahre alt.
Es wird vermutet das er nach seinem Ableben entweder zu einem Schwarzen Loch zusammengefallen ist, sich ein Neutronenstern oder ein Quarkstern gebildet haben.

Der Überrest der Supernova 1987A aus dem Vorgängerstern Sanduleak -69° 202a.

Zeitrafferaufnahme, erstellt aus HST-Einzelbildern.
Die Kollision der Supernovaüberreste mit 20.000 Jahre zuvor emittiertem Material wird erkennbar.

Der starke Neutrino-Ausstoß der auf der Erde gemessen wurde erreichte diese drei Stunden vor dem sichtbaren Licht, da Neutrinos praktisch ohne Wechselwirkung (also ungebremst) Materie durchqueren können.

Die Pioneer 10 Sonde

Pioneer 10 ist die erste von Menschen gebaute Raumsonde, die den Planeten Jupiter und anschließend den äußeren Bereich des Sonnensystems erreichte. Sie wurde am 3. März 1972 vom Launch Complex 36 auf Cape Canaveral mit einer Atlas-Centaur-Rakete gestartet. Die Sonde hat zahlreiche wissenschaftliche Erkenntnisse über den Planeten Jupiter, den Asteroidengürtel, aber auch in den äußeren Regionen des Sonnensystems erbracht. Pioneer 10 erwies sich als äußerst robust und sendete das letzte Mal im Januar 2003 Daten zur Erde. Mit einer Missionsdauer von knapp 31 Jahren übertraf sie ihre geplante Lebensdauer von 21 Monaten um mehr als das Sechzehnfache.

Der Start der Jupitersonde Pioneer 10 vom Launch Complex 36 auf Cape Canaveral. Als Trägerrakete fungierte eine Atlas SLV-3C Centaur-D.

Die Bahnen der Voyager- und Pioneer-Sonden bis zum Jahr 1992.

Übersicht aller Mitglieder der Pioneer-Sonden-Familie. Pioneer 10 und 11 sind baugleich, Pioneer 12 wurde nie gestartet, während Pioneer 13 die Venus erforschte.

Die Zukunft des Voyager-Programms

Das Programm kam mehrmals aus Budgetgründen in Bedrängnis, da der Betrieb der Sonde pro Jahr mehrere Millionen US-Dollar kostet. Internationale Proteste und die besondere Stellung von Voyager 1 und Voyager 2 verhinderten stets die komplette Einstellung des Programms, das inzwischen als echtes Langzeit-Experiment gelten kann, wobei einige Budgetkürzungen hingenommen werden mussten.
Im August 2010 befand sich Voyager 1 noch immer im Bereich der Heliosheath-Region. Die Sonde soll um 2015 die Helio­sphäre, also den Einflussbereich des Sonnenwindes, endgültig verlassen. Der Hydrazin-Treibstoff für die Lageregelung wird noch mindestens für die nächsten 40 Jahre ausreichen.
Durch Abnutzung und Leistungsverfall der Batterien und thermoelektrischen Elemente, sinkt die zur Verfügung stehende Leistung pro Jahr um 1,4 %. Daher wurden bereits viele Instru­mente und deren Heizelemente abgeschaltet (Voyager 1: 3 von 11 aktiv; Voyager 2: 4 von 11 aktiv). Bis 2025 sollen schrittweise auch alle weiteren deaktiviert werden (u.a. Lageregelung 2016).

Projekt-Wissenschaftler und späterer Sprecher der Voyager-Mission Edward C. Stone vor einem Modell der Voyager-Sonde (2012).

Bisherige wichtige Etappen der Mission und theoretisch zukünftiger Flugverlauf der Sonde. Entfernungsangabe in AE (Abstand Erde-Sonne) und mit logarithmischer Abstandsskalierung. Die Geschwindingkeit mit der sich die Sonde von unserer Sonne entfernt beträgt 17.014 km/s (ca. 15.000 Erdumrundungen pro Stunde).