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Der eisige Außenseiter

Allgemein

Der eisige Außenseiter
Pluto-Expreß: Aufbruch zum exzentrischsten der Planeten. Pluto mit seinem rätselhaften Riesenmond Charon ist der einzige Planet, den Raumsonden bislang noch nicht aus der Nähe erkundet haben. Zur Zeit arbeiten Ingenieure und Wissenschaftler der NASA an einem Projekt, das den sonnenfernsten Trabanten besuchen und ihm seine Geheimnisse entlocken soll. Infos im Internet über Pluto:http://dosxx.colorado.edu/plutohome.html http://bang.lanl.gov/solarphys/pluto.html über die geplanten Pluto-Sonden: http://www.jpl.nasa.gov/pluto/ http://www.lpl.arizona.edu/pluto/ http://spacelink.msf.nasa.gov/NASA.Projects/Planetary.Probes/Pluto.Fast.Flyby/

Eine bitterkalte, eisige Welt – das ist bislang das einzig Sichere, was wir über Pluto wissen. Ansonsten ist der Außenseiter im Sonnensystem ein noch ziemlich unbeschriebenes Blatt. Keine Raumsonde hat ihn je aus der Nähe erkundet. Alle Informationen, die wir über Pluto und seinen 1978 entdeckten Riesenmond Charon haben, stammen von erdgebundenen Beobachtungen oder, im Fall des Hubble-Weltraumteleskops, von Messungen aus der Erdumlaufbahn – das heißt aus einer Entfernung von weit über vier Milliarden Kilometern.

Zwei Kundschafter sollen in etwa drei Jahren in Richtung Pluto starten, um die geheimnisvolle kalte Welt zu erforschen. Geplant ist, daß jede eine kleine Sonde an Bord hat, die zur Planetenoberfläche hinabstürzt und dabei die Atmosphäre erkundet.

Pluto ist das „Enfant terrible“ unter den Planeten: Seine Umlaufbahn ist exzentrischer, seine Rotationsachse schiefer, seine Temperatur niedriger, seine Atmosphäre unbeständiger als bei allen anderen. Außerdem ist Plutos Umlaufbahn um mehr als 17 Grad zur Ebene des Planetensystems geneigt, und sie ist stark zur Ellipse verzerrt: Die Entfernung zur Sonne schwankt zwischen 4,425 und 7,375 Milliarden Kilometer, das entspricht dem 29,58- beziehungsweise 49,30fachen Abstand Erde-Sonne. Das Sonnenlicht braucht für diese Distanz immerhin vier bis fast sieben Stunden.

Die große Exzentrizität der Umlaufbahn führt dazu, daß Pluto seit 1979 der Sonne sogar etwas näher steht als Neptun. Dies wird noch bis zum 14. März 1999 so bleiben. Eine Kollisionsgefahr zwischen Pluto und Neptun besteht allerdings nicht, da sich ihre Bahnen nicht schneiden.

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Pluto ist auch Außenseiter, was seine Größe betrifft: Er ist mit Abstand der kleinste unter den Planeten, noch wesentlich kleiner als unser Mond. Neben die Erde gestellt, würde er noch nicht einmal Europa oder die USA abdecken.

Ob Pluto eine Atmosphäre hat, konnte zum ersten Mal 1988 festgestellt werden. Damals bot sich die seltene Gelegenheit, daß der Planet genau vor einem Stern vorüberzog. Bei der „Bedeckung“ verfinsterte sich der Stern nicht abrupt, sondern wurde schon unmittelbar vorher etwas dunkler. Daraus konnte geschlossen werden, daß der Planet von einer dünnen Atmosphäre umgeben wird. Sie besteht aus Stickstoff, Kohlenmonoxid und Methan, wie Spektraluntersuchungen später ergeben haben. Nach theoretischen Überlegungen dürfte sie auch einige photochemisch produzierte Moleküle (Blausäure, Nitrile, Ethin und andere Kohlenwasserstoffe) sowie atomaren Wasserstoff enthalten.

Da die Sonnenstrahlung Wasserstoff-Atome und -Moleküle von dem atmosphärischen Methan abspaltet, die in den Weltraum entweichen, muß Methan ständig nachgeliefert werden. Über die Quelle rätseln die Wissenschaftler noch. Entweder stammt das Methan von Plutos Oberfläche oder aus seinem Inneren, was auf geologische Aktivitäten schließen ließe. Oder gibt es gar Geysire – wie auf dem Neptunmond Triton?

Besonders bemerkenswert ist, daß Plutos Atmosphäre nur vorübergehend existiert: Wenn der Planet den sonnenfernsten Punkt seiner exzentrischen Bahn durchläuft, sinken die Temperaturen auf seiner Oberfläche so tief, daß die Moleküle in der dünnen Lufthülle sich zu feinen Kristallen zusammenlagern und als zarter Schnee auf den Planeten rieseln. Erst ein Jahrhundert später, wenn sich Pluto der Sonne erneut nähert, kann sich der Schnee wieder verflüchtigen und als neue Atmosphäre den Planeten umhüllen.

Der bisherige Höhepunkt der Plutoforschung war im März 1996, als amerikanische Astronomen eine Karte der Oberfläche veröffentlichten. Sie basiert auf Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops mit der Faint Object Camera (Kamera für lichtschwache Objekte) der Europäischen Weltraumagentur ESA. Die Bilder wurden bereits im Juni und Juli 1994 aufgenommen, als Pluto nur 4,8 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt war, und zwar im Verlauf eines Pluto-Tages, der 153 irdische Stunden dauert. Jeder Bildpunkt des Fotos entspricht einer Fläche von 160 Quadratkilometern.Nach langwierigen Bildverarbeitungsprozeduren entstand eine Pluto-Landkarte, die die größten Hell-Dunkel-Kontraste aller Planeten im Sonnensystem mit Ausnahme der Erde zeigt.

Die Wissenschaftler haben rund ein Dutzend Regionen identifiziert, die sie Provinzen nennen. Deren Natur ist noch unklar: Zum Teil könnte es sich um die Einschlagspuren von Meteoriten handeln, vergleichbar mit den lavagefüllten Becken des Erdmondes. Die meisten Regionen sind aber wahrscheinlich einfach verschieden stark mit Schnee und Eis bedeckt oder haben eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung. An Plutos Polen befinden sich Eiskappen, vermutlich aus gefrorenem Stickstoff. Anzeichen für Polkappen gab es schon auf früheren Aufnahmen.

Die kontrastreiche Oberfläche Plutos beweist, daß der kleine Planet kein Zwilling von Triton ist, wie man früher vermutete. Dennoch gibt der 2705 Kilometer dicke Neptunmond die besten Anhaltspunkte für die Natur Plutos, da er in einer ähnlichen Sonnenentfernung entstanden ist und ebenfalls eine Stickstoff-Atmosphäre besitzt.

Das Weltraumteleskop hat auch Plutos Mond Charon ins Visier genommen, konnte bislang aber nur wenige grobe Details aufspüren. Charon ist benannt nach dem Fährmann in der griechischen Mythologie, der die Toten über den Fluß Styx in die Unterwelt bringt, also in Plutos Reich. Da er ungefähr halb so groß ist wie Pluto, kann man sogar von einem Doppelplaneten-System sprechen.

Viel wissen wir von den beiden Eiswelten noch nicht. Zu ihrer Entstehungsgeschichte gibt es nur wenig Indizien. Die ersten groben Blicke auf ihre Oberfläche haben mehr Fragen aufgeworfen als beantwortet. Unklar ist zum Beispiel, weshalb und wie stark sich die beiden Himmelskörper chemisch unterscheiden: Plutos Farbe ist bläulich, Charon sieht grau aus. Pluto könnte aus einem Gesteinskern bestehen, der von einem Mantel aus Eis umgeben ist, während Charon ein undifferenziertes Konglomerat aus Gestein und Eis sein dürfte. Doch das sind bislang nur Vermutungen. Über die Beschaffenheit und Entwicklung von Plutos Atmosphäre ist zur Zeit ebenfalls kaum etwas bekannt. Vielleicht drückt der Sonnenwind die entweichenden Gase wie einen Kometenschweif von dem Himmelskörper weg.

Die meisten dieser Fragen lassen sich von der Erde aus nicht beantworten. Deshalb erwägt die amerikanische Weltraumagentur NASA seit 1991 eine Raumsonden-Mission in die Außenbezirke des Sonnensystems. Dieses Projekt, das zunächst unter dem Namen „Pluto Fast Flyby“ firmierte und jetzt „Pluto Express“ heißt, ist allerdings noch keine beschlossene Sache. Doch die Chancen stehen gut, daß es im nächsten Jahr genehmigt wird.

Robert Staehle, einer der Projektplaner am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA im kalifornischen Pasadena, hat das ehrgeizige Vorhaben so charakterisiert: „Ziel der Mission ist, zwei etwa 120 Kilogramm schwere Raumsonden innerhalb von sieben bis zehn Jahren auf einen direkten Kurs zum Pluto-Charon-System zu bringen, und zwar bevor Plutos Atmosphäre wieder ausfriert.“

Das JPL ist mit der Entwicklung von Pluto Express betraut worden. Angestrebt werden internationale Kooperationen. „Studenten mehrerer Universitäten sollen Gelegenheit zur Mitarbeit erhalten“, erklärt Stephen C. Brewster vom JPL, der an der Projektplanung der Pluto-Sonden mitarbeitet.

Das Hauptproblem ist die angespannte Finanzlage der NASA. „Die ruhmreichen Tage der großen Missionen sind vorbei“, sagt Richard Terrile vom JPL, der schon bei der Voyager-Mission mitwirkte und nun Projektwissenschaftler bei Pluto Express ist. „Es wird keine Dinosaurier in der Raumfahrt mehr geben.“

Das für Pluto Fast Flyby vorgesehene Budget war ursprünglich auf 400 Millionen Dollar veranschlagt – das ist zwar nur ein Bruchteil der Voyager-, Galileo- und Cassini-Missionen, aber NASA-Chef Daniel Goldin hält das für immer noch zu teuer. Seiner Philosophie des „billiger, besser, schneller“ folgend, tüfteln die Projektplaner nun daran, mit weniger als der Hälfte des Budgets dennoch die wichtigsten Missionsziele zu erfüllen. Dazu muß man technisch abspekken und neue Wege im Bau der Sonden beschreiten.

Bislang wurden das Trägersystem und die wissenschaftlichen Instrumente weitgehend unabhängig voneinander geplant, gebaut, anschließend zusammengesetzt – und erst dann die wissenschaftlichen Details der Mission beschlossen. Dagegen sollen nun die verschiedenen Gruppen der Ingenieure und Wissenschaftler von Anfang an eng kooperieren und alle Bereiche integriert entwickeln. Diese Strategie wird, so hofft man, Ressourcen, Material, Gewicht und letztlich auch Geld einsparen. Aus einer Raumsonde (spacecraft) mit wissenschaftlicher Nutzlast soll eine kompakte Wissenschaftssonde (sciencecraft) werden.

Technologisch stellt Pluto Express daher höchste Anforderungen. Platz und Gewicht der wissenschaftlichen Instrumente sind bei dem gerade noch vertretbaren Kostenrahmen extrem eingeschränkt: auf nur etwa 7 Kilogramm Nutzlast bei nunmehr 85 Kilogramm Gesamtmasse (ohne Treibstoff) und 6 Watt Leistung. Neben einer Kamera werden wahrscheinlich nur ein Infrarot- und ein Ultraviolett-Spektrometer an Bord sein. Trotzdem hoffen die Forscher, mit der Mission die größten Rätsel um Pluto lösen zu können. Geplant ist außerdem, die Pluto-Sonden mit jeweils einer Atmosphären-Kapsel (Drop Zond Probe) auszustatten. Diese beiden Kapseln sollen einen Monat vor dem Vorbeiflug von ihrem Mutterschiff abgesprengt werden. Sie haben einen Massenspektrometer, einen Beschleunigungsmesser sowie eine Kamera an Bord und werden direkt auf Pluto zufliegen, um dessen Atmosphäre zu erforschen, bevor sie auf seiner eisigen Oberfläche zerschellen. Die Flugrouten werden so gewählt, daß beide Sonden zusammen möglichst den ganzen Planeten fotografieren können, ebenso wie den größten Teil von Charons Oberfläche.

Noch steht Pluto auf seiner stark elliptischen Umlaufbahn der Sonne relativ nahe. Aber lange wird er seine dünne Atmosphäre aus Stickstoff und Methan nicht mehr halten können. Bevor die Oberflächentemperaturen soweit gefallen sind, daß sich eine feine Reifschicht auf dem Planeten niederzuschlagen beginnt – das dürfte um das Jahr 2020 geschehen -, müßten die beiden Raumsonden am Ziel sein. Die Wissenschaftler drängen daher auf einen Start von Pluto Express spätestens im Jahr 2000 oder 2001. Theoretisch könnte er bereits zwischen 2006 und 2008 bei Pluto ankommen, doch das hängt von der Wahl der Route ab. Zur Zeit ist vorgesehen, die Pluto-Sonden dreimal bei der Venus und anschließend noch bei Jupiter vorbeifliegen zu lassen, um Schwung zu holen. Bei einem Start im Jahr 2001 wäre Pluto dann 2013 am Ziel.

Die wohl spannendste Frage betrifft die Entstehungsgeschichte von Pluto und seinem außergewöhnlich großen Mond. Die physikalischen Eigenschaften sowie die unterschiedliche innere Struktur und chemische Zusammensetzung von Pluto und Charon schließen es aus, daß sich Charon einst von Pluto abgespalten hat, oder daß beide Körper gemeinsam aus der Gas- und Staubwolke des protosolaren Urnebels entstanden sind. Auch die früher häufig vertretene Hypothese, Pluto sei ein entwichener Neptunmond, ist durch Charons Entdeckung widerlegt worden. Daß Pluto seinen Mond schlicht eingefangen hat, ist aus himmelsmechanischen Gründen ebenfalls unwahrscheinlich.

Die plausibelste Annahme ist, daß Pluto einst mit einem viele hundert, vielleicht sogar tausend Kilometer großen Körper kollidiert ist. Aus den Trümmern, in einem Orbit um Pluto, könnte sich dann Charon gebildet haben. Gegen diese Kollisionshypothese wurde allerdings bald nach Entdeckung des Mondes ein wichtiger Einwand erhoben: Wenn Pluto und Charons Vorläufer die einzigen Objekte in dieser entlegenen Region des Sonnensystems waren, wäre ein solcher Zusammenstoß extrem unwahrscheinlich.

Doch dort draußen kreisen viele Brocken im sogenannten Kuiper-Gürtel. 1992 wurde der erste von ihnen entdeckt. Inzwischen kennen wir über 50, und man schätzt, daß sich 40000 von ihnen mit 100 bis 400 Kilometer Durchmesser dort befinden könnten, sowie etwa sechs Milliarden kleinere Körper. Pluto und Charon sind also wahrscheinlich nur die größten Vertreter dieser neuen Klasse von Himmelskörpern, gewissermaßen die Spitze des Eisbergs.

Diese Kuipergürtel-Objekte gelten als ideale Zeugen für die Frühgeschichte des Sonnensystems und damit für unsere kosmische Vergangenheit. Deshalb wäre es aufschlußreich, ein paar von ihnen aus der Nähe zu untersuchen. Und in dieses astronomische Neuland könnten die geplanten Raumsonden nach ihrer Arbeit am Pluto vorstoßen.

Highlights der Pluto-Forschung

1930 Entdeckung von Pluto; Bestimmung seiner Umlaufbahn 1955 Bestimmung von Plutos Umlaufperiode 1965 Entdeckung, daß Pluto mit Neptun in einer Umlauf-Resonanz von 3 : 2 steht 1973 Entdeckung der extremen Neigung von Plutos Rotationsachse 1976 Entdeckung von Methaneis auf Plutos Oberfläche 1978 Entdeckung des Mondes Charon; erste zuverlässige Abschätzung der Massen beider Himmelskörper 1980 Abschätzung von Charons Radius mit Hilfe einer Sternbedeckung 1985 Beginn sechsjähriger Bedeckungen von Pluto und Charon 1986 Erste zuverlässige Abschätzungen der Radien, Helligkeiten und Farben von Pluto und Charon dank der wechselseitigen Bedeckungen 1987 Entdeckung von Wassereis auf Charon 1988 Entdeckung von Plutos Atmosphäre und ersten Anzeichen von Polkappen; Nachweis, daß Plutos Bahn chaotisch ist (in der Größenordnung von Jahrmillionen) 1992 Entdeckung von Stickstoff- und Kohlenmonoxid-Eis auf Pluto; erste Entdeckung weiterer Objekte jenseits der Neptunbahn (Kuipergürtel) 1994 Nachweis von Methan in Plutos Atmosphäre 1995 Erste Bilder von Plutos Polkappen mit dem Hubble-Weltraumteleskop 1996 Bislang beste Oberflächenkarte von Pluto durch das Weltraumtele- skop; erste Karte von Charon 1996/97 Definitionsphase zweier Sonden vom „Pluto Express“ ca. 2001 Start der Sonde vom“Pluto Express“ ca. 2013 Vorbeiflug an Pluto und Charon in 15000 Kilometer Entfernung im Abstand von einem halben Jahr ca. 2014 Vorbeiflug an Kuipergürtel-Objekten

Rüdiger Vaas

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