CASSINI
Der Jupiter als Teilchenbeschleuniger
Redaktion
astronews.com
1. März 2002

Als Ende 2000 die Saturnsonde Cassini am Jupiter vorüberflog waren die Messgeräte des Raumschiffs aktiviert, um so etwas über die Umgebung des Gasriesen zu erfahren. Ein Glücksfall: Ein Forscherteam entdeckte dadurch einen Nebel aus neutralem Gas um den Riesenplaneten, dessen Partikel Geschwindigkeiten von bis zu 4000 Kilometer pro Sekunde erreichen. Und sie spürten "Killer-Elektronen" auf, die sogar Satelliten im Erdorbit gefährlich werden könnten.

Intensität der ENA-Emission am 30. Dezember 2000. Zusätzlich ist in dieser Abbildung das Magnetfeld von Jupiter und der Io-Torus zu sehen. Dieser Torus ist ein schlauchförmiger Ring aus Neutralgas und Plasma, der sich entlang der Bahn des Mondes Io um den Jupiter erstreckt. Dieser Torus wird von zahlreichen Vulkaneruptionen auf Io gespeist, der dabei jede Sekunde etwa eine Tonne an Substanz in Form von Schwefeldioxid, atomarem Sauerstoff und Schwefel verliert. Bild: Max-Planck-Institut für Aeronomie / MPG

Das Magnetfeld ist ein sehr wichtiges "Schutzschild" für das Leben auf der Erde. Um zu verstehen, wie es funktioniert, sich verändert oder gar verschwinden kann, muss das Magnetfeld anderer Planeten - zum Beispiel von Jupiter und Saturn - mit Raumsonden erforscht und mit den Ergebnissen von der Erde verglichen werden. Bereits in der Vergangenheit hatten Messungen der Sonden Pioneer, Voyager und Ulysses in der Umgebung von Jupiter gezeigt, dass von ihm eine große Anzahl von Ionen und Elektronen ausgehen und sich noch in einem Abstand von mehr als zehn Millionen Kilometer nachweisen lassen.

Mit ihren neu entwickelten Sensoren an Bord der Raumsonde Cassini konnten jetzt amerikanische und europäische Wissenschaftler, darunter eine Gruppe um Norbert Krupp vom Max-Planck-Institut für Aeronomie in Katlenburg-Lindau, zeigen, dass vom Jupiter energiereiche Neutralteilchen, so genannte Energetic Neutral Atoms (ENAs) ins All emittiert werden. Diese Daten erlauben es, die Magnetosphäre des Riesenplaneten besser zu modellieren. Zugleich bestätigen die Messergebnisse die Existenz von "Killer-Elektronen", die vom Jupiter quasi mit Lichtgeschwindigkeit kommend tief in die Erdatmosphäre eindringen und die Elektronik von Satelliten zerstören können.

Die Raumsonde Cassini wurde im Oktober 1997 von Cape Canaveral gestartet. Ihr Ziel ist der Ringplanet Saturn. Unter Ausnutzung der Gravitation von Venus und Erde näherte sich der Kundschafter im Dezember 2000 dem Jupiter bis auf knapp zehn Millionen Kilometer. Dieser Vorbeiflug wurde für umfassende Messungen in der Umgebung des Gasriesen genutzt - dazu waren zwischen Oktober 2000 und April 2001 alle Instrumente eingeschaltet.

Unter den Detektoren ist auch das Magnetospheric Imaging Instrument (MIMI), das von dem Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, der University of Maryland und dem Max-Planck-Institut für Aeronomie entwickelt wurde. Es besteht aus drei Sensoren: der Ion Neutral Camera (INCA), dem Charge-Energy-Mass Spectrometer (CHEMS) und dem Low Energy Magnetospheric Measurement System (LEMMS). Diese Instrumente sollen sowohl neutrale als auch geladene Teilchen einschließlich ihrer Ladungszustände und Energien aus unterschiedlichen Richtungen im Raum messen.

Bereits in den Daten der Raumsonde Voyager 1 fanden die Forscher erste indirekte Hinweise auf neutrale Teilchen, die ihren Ursprung im Jupitersystem haben - die so genannten Energetic Neutral Atoms (ENAs). Anders als geladene Partikel bewegen sich die neutralen Teilchen unabhängig von magnetischen oder elektrischen Feldern. Sie lassen sich mit Cassinis Ion Neutral Camera in der Quellregion nachweisen. INCA registrierte bereits im Oktober 2000 - noch in einem Abstand von mehr als 75 Millionen Kilometer - die ersten ENAs vom Jupiter. Je mehr sich die Raumsonde dem Planeten näherte, desto stärker wurde die Intensität dieser Teilchen.

Die von den Sensoren an Bord von Cassini erfassten Emissionen stammen von Neutralteilchen mit Geschwindigkeiten zwischen 3000 und 4000 Kilometern pro Sekunde. Deutlich war zu erkennen, dass die stärksten Emissionen aus der Region um den Äquator und aus der inneren Jupiter-Magnetosphäre in der Umgebung des so genannten Io-Torus kommen. Neutralteilchen können das Jupitersystem ungehindert verlassen und verlieren irgendwann im interplanetaren Raum durch Photoionisation ein Elektron. Die dann einfach geladenen Ionen spüren das elektrische Feld im Sonnenwind und durchlaufen bei dem so genannten Pickup-Prozess ihre Bahn mit einer Energie, die maximal der doppelten Sonnenwindgeschwindigkeit entspricht.

Der LEMMS-Sensor wiederum, der im Wesentlichen am Max-Planck-Institut für Aeronomie entwickelt wurde, hat die energiereichen Ionen und Elektronen aus dem Jupitersystem direkt gemessen. Völlig überraschend entdeckten die Forscher noch in einem Abstand von 35 Millionen Kilometer Entfernung vom Jupiter extrem schnelle Elektronen in einer Dichte, die jener innerhalb der Magnetosphäre entspricht. Norbert Krupp, der für diese Messungen verantwortliche Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Aeronomie, meint deshalb: "Noch ist es nicht eindeutig geklärt, aber es gibt einige Anzeichen, dass sich die Magnetosphäre auf der Abendseite des Riesenplaneten wahrscheinlich viel weiter ausdehnt, als man bislang angenommen hat."

Die nächste und letzte Station von Cassini ist Saturn, der im Jahr 2004 erreicht wird. "Die Messungen beim Jupiter waren eigentlich ein Test, Mittel zum Zweck. Wir sind sehr froh, dass dieser Test so erfolgreich verlaufen ist und sofort neue Ergebnisse über die Magnetosphäre des Jupiter geliefert hat. Dank dieser Ergebnisse können wir nun die Empfindlichkeit unserer Instrumente genauer einstellen und für die Messungen im Umfeld von Saturn vorbereiten," sagt Krupp. "Unsere Messdaten werden helfen, das Gesamtbild über die Entstehung der Planeten und insbesondere ihre Magnetosphäre zu vervollständigen."