Fernster Kundschafter im Kosmos - wissenschaft.de
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Fernster Kundschafter im Kosmos

Pioneer 10 – ein Satellit revolutioniert die Planetenforschung. Die Raumsonde hatte den Astronomen den Weg zu den äußeren Planeten gebahnt. Inzwischen ist der Veteran der Raumfahrt über zehn Milliarden Kilometer von uns entfernt – und sendet immer noch. INFOS IM INTERNET: über Pioneer 10 und 11: http://pyroeis.arc.nasa.gov/pioneer/PN10&11.html Mitschrift der Pioneer 10-Konferenz vom März 1997: http://quest.erc.nasa.gov/pioneer10/agenda/index.html

Eisig kalt ist es dem einsamen Forscher, der auf seiner Expedition ins All längst den Pluto, den letzten der Planeten des Sonnensystems, hinter sich gelassen hat. Und dunkel: Die Sonne ist für ihn zu einem funkelnden Lichtpunkt geschrumpft. Mit letzter Kraft mißt er die kosmische Strahlung, die Aufschluß geben soll, wo der Einfluß der Sonne endet. Die aufregendsten Phasen seiner Reise liegen bereits über 20 Jahre zurück – damals, als er das Tor für die interplanetare Raumfahrt aufstieß.

3. Dezember 1973: Im engen Kontrollraum der NASA in Mountain View, Kalifornien, herrscht knisternde Spannung. Etwa 50 Wissenschaftler und Ingenieure starren gebannt auf die endlosen Zahlenreihen auf den Bildschirmen. Sie stammen von Pioneer 10, der ersten von Menschenhand geschaffenen Sonde, die sich weit ins äußere Sonnensystem vorgewagt hat und nun vor ihrer schwersten Bewährungsprobe steht: Wird sie dem geballten Strahlungsbombardement des Planetenriesen Jupiter standhalten? Die dramatischsten Augenblicke der gesamten Mission stehen kurz bevor.

Die Strahlungsdosis in Jupiternähe übertrifft alle Erwartungen. Elektrisch geladene Teilchen aus dem Sonnenwind werden im mächtigen Magnetfeld des Planeten gefangen und auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Sie könnten das Ende von Pioneer 10 bedeuten. Die Strahlung überschreitet die irdischen Werte um das Tausendfache.

Mit einer Spitzengeschwindigkeit von 36 Kilometer pro Sekunde schießt die Sonde 131000 Kilometer hoch über die äußersten Wolkenschichten aus Ammoniak-Eis hinweg. Dann verschwindet Pioneer 10 hinter dem Planeten. Für 40 Minuten ist die Funkverbindung unterbrochen. Jetzt werden auch die kühleren Gemüter unruhig: Würden die Signale wieder auftauchen, oder hatte der Strahlungsgürtel die Elektronik der Meßgeräte zerstört?

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Es ging alles gut. Fast alles. Pioneer 10 meldete sich zwar planmäßig zurück, doch schienen manche Instrumente geisterhafte Signale zu empfangen und spielten verrückt. Das Strahlungsfeld hatte ihnen falsche Botschaften vorgegaukelt. „Wir mußten Pioneer alles vorschreiben, mußten jedes Instrument ein- und ausschalten, die Reihenfolge der Messungen festlegen, Empfindlichkeiten regeln und so weiter. An manchen Tagen schickten wir der Sonde 2000 bis 3000 Kommandos hinterher.“ Richard Fimmel, der für einige der wissenschaftlichen Instrumente an Bord verantwortlich war und die Mission von Anfang an betreut hatte, staunt heute noch über diese technische Pionierleistung, wenn er die 1969 konzipierte und von der kalifornischen Firma TRW Space and Technology gebaute Sonde mit ihren moderneren Nachfolgern Voyager und Galileo vergleicht.

Der Aufwand für Pioneer 10 hat sich gelohnt. Zahlreiche Beobachtungen, darunter über 300 Fotos mit einer Auflösung von bis zu 500 Kilometern, gelangten zur Erde. Erstmals ließ sich die turbulente Atmosphäre des Gasriesen aus der Nähe betrachten und sein enormes Magnetfeld vermessen.

Noch wichtiger: Pioneer 10 hat den Weg gebahnt für alle späteren und genaueren Erkundungen des äußeren Sonnensystems. Ohne diese Pioniertat wäre die Mission der beiden im Spätsommer 1977 gestarteten Voyager-Raumsonden nicht möglich gewesen.

Die Reise von Pioneer 10 begann am 2. März 1972 um 20 Uhr 43, als eine dreistufige Trägerrakete vom Typ Atlas-Centaur die Sonde von Kap Kennedy in den Weltraum beförderte. Mit über 14 Kilometer pro Sekunde ließ der damals schnellste von Menschen geschaffene Flugkörper bereits nach 11 Stunden die Mondbahn hinter sich (die Apollo-Raumschiffe brauchten für dieselbe Entfernung über drei Tage) und 12 Wochen später die rund 80 Millionen Kilometer entfernte Umlaufbahn des Planeten Mars.

Mitte Juli 1972 erreichte Pioneer 10 die Ausläufer des Planetoidengürtels – damit begann eine besonders kritische Phase der Mission: Niemand wußte, ob die 280 Millionen Kilometer breite Trümmerzone zwischen Mars und Jupiter überhaupt passierbar war. Bereits ein einziger kieselsteingroßer Meteorit hätte jede Hoffnung auf eine Fortführung der Mission zerschlagen können.

„Wir waren damals sehr nervös“, erinnert sich Fred Wirth, der damalige Flugkontrolleur und Projektleiter von Pioneer 10. „Es stellte sich aber heraus, das die Teilchendichte kaum größer war als anderswo im Sonnensystem“, berichtet Larry Lasher, der gegenwärtige Projekt-Manager von Pioneer. „Damit war der Weg ins äußere Sonnensystem für alle künftigen Raumsonden offen.“

Als die Sonde den Planetoidengürtel wohlbehalten durchquert hatte, begannen die Vorbereitungen für den Start von Pioneer 11. Der baugleiche Zwilling, lediglich mit einem zusätzlichen Magnetometer für höhere Feldstärken ausgestattet, war als Rückversicherung konzipiert, um die Chancen zu erhöhen, daß wenigstens eine Sonde Jupiter erreichte.

Pioneer 11 verließ die Erde am 5. April 1973 und raste am 2. Dezember 1974 in nur 42800 Kilometer Abstand an Jupiters Südpol vorbei. Kein anderes Raumfahrzeug hat sich jemals näher an den Riesenplaneten herangewagt. Pioneer 11 machte phantastische Fotos vom Großen Roten Fleck und die ersten Aufnahmen von Jupiters Polregion.

Das Schwerefeld des Planeten katapultierte die Sonde auf einen neuen Kurs – zum Saturn. Dies war das erste Mal in der Raumfahrtgeschichte, daß ein solches Manöver ausprobiert wurde. Diese „Swing-by-Technik“ ist seither eine beliebte Methode, um Raumsonden zu beschleunigen und in eine neue Richtung zu lenken.

Pioneer 10 überquerte am 13. Juni 1983 die Bahn von Neptun (damals und noch bis 1999 der äußerste Planet des Sonnensystems) und stieß damit als erstes Raumfahrzeug in den interplanetaren Raum vor.

Bis heute gibt es für die Astronomen zahlreiche Rätsel jenseits von Neptun und Pluto. Das wohl spannendste lautet: Wie weit reicht der Einfluß der Sonne ins All hinaus? Dieser Einflußbereich, die „Heliosphäre“, hat vermutlich eine kugelförmige Gestalt – aufgrund der Bewegung des Sonnensystems durch den galaktischen Raum im rückwärtigen Teil ein wenig verlängert.

Unser Sonnensystem als Ganzes bahnt sich mit einer Geschwindigkeit von etwas mehr als 20 Kilometer pro Sekunde einen Weg durch das dünne Meer der Materie, die vom Urknall übrig geblieben ist oder von Sternexplosionen und Sternwinden stammt. Die Dichte dieser Mischung aus Gas, Plasma und Staub, des „interstellaren Mediums“, wird auf lediglich 0,05 Teilchen pro Kubikzentimeter geschätzt. Zum Vergleich: die Dichte des Sonnenwinds in Erdnähe beträgt pro Kubikzentimeter etwa 10 Teilchen und die der Luft, die wir atmen, rund 27 Trillionen Teilchen. Die Luft eines tiefen Atemzuges würde sich also dort draußen, wo die Pioneer- und Voyager-Sonden fliegen, auf etwa eine Milliarde Kubikkilometer ausdehnen.

Die Heliosphäre ist eine Blase im interstellaren Medium, die vom Sonnenwind beherrscht wird – und von den Magnetfeldern, die der Wind mit sich führt. Er strömt von der Sonne entlang offener Magnetfeldlinien aus Löchern in der Korona, der äußeren Sonnenatmosphäre. Er besteht überwiegend aus Elektronen und Protonen mit geringen Beimischungen von Helium und schwereren Ionen.

Weil sich die Sonne in 27 Tagen einmal um ihre Achse dreht, wird das Plasma auf Spiralbahnen gezwungen und aufgefächert. Dabei entsteht das komplexe Strömungsmuster des Sonnenwinds und der mit ihm verwickelten Magnetfelder, das die Pioneer- und Voyager-Sonden entdeckt hatten.

Irgendwo prallt der Sonnenwind auf das viel langsamere interstellare Medium. An dieser Stoßfront, der „Heliopause“, ist der Druck der interstellaren Materie so hoch, daß der Sonnenwind sie nicht weiter verdrängen kann. Dieses Gleichgewicht der Kräfte stellt sich schlagartig ein – in einer turbulenten Stoßfront, bei der sich das interstellare Gas aufheizt. Seine Temperatur dürfte mehr als eine Million Grad betragen.

Wo genau sich diese Grenze des Sonnensystems befindet, haben die Wissenschaftler noch nicht herausgefunden. „Vor dem Start von Pioneer 10 dachten wir, der Sonnenwind würde sich etwa fünf AE weit in den Raum hinaus erstrecken“, erinnert sich Larry Lasher. Als Astronomische Einheit (AE) bezeichnet man den mittleren Abstand zwischen Erde und Sonne, rund 150 Millionen Kilometer. „Pioneer 10 ist inzwischen über 67 AE entfernt, und wir haben das Ende der Heliosphäre noch immer nicht entdeckt. Aber wir sind wohl nahe dran. Man schätzt heute, daß die Grenze irgendwo zwischen 70 und 120 AE liegt.“

Die Wissenschaftler hoffen, daß die Voyager-Sonden das klären können – die Energiereserven reichen wohl bis zu einer Entfernung von über 100 AE. Fraglich ist nur, ob die NASA die Mission so lange finanzieren oder lieber die Sach- und Personalkosten einsparen wird. Zur Zeit sind noch immer 19 Wissenschaftler und Techniker mit dem Empfang und der Auswertung der Voyager-Signale beschäftigt.

Sie hoffen, daß die Raumsonden genügend Daten liefern, um Dichte, Temperatur und Geschwindigkeit des Sonnenwindes sowie die Stärke und Ausrichtung des interstellaren Magnetfelds genauer zu bestimmen, als Pioneer 10 und 11 das vermochten. Aus ihnen ließe sich nämlich Gestalt und Entfernung der Heliopause ermitteln.

Mit ihren Plasmaspektrometern könnten die Voyager-Sonden auch die Masse einzelner Ionen aus dem interstellaren Raum messen und damit die Elementverteilung außerhalb des Sonnensystems bestimmen. Daraus versprechen sich die Wissenschaftler Aufschlüsse über die chemische Evolution der Milchstraße und die Bedingungen vor der Entstehung unseres Planetensystems. Pioneer 10 hat bereits Heliumatome und andere Bestandteile der kosmischen Strahlung aufgespürt, die von jenseits der Heliopause ins Sonnensystem gelangt sind.

Die Pioneer-Ära geht jetzt zu Ende. Am 26. Januar wurde zum letzten Mal die Ausrichtung der Funkantenne von Pioneer 10 korrigiert. Die Radiosignale dazu waren über neun Stunden unterwegs. Dieselbe Zeitspanne verstrich noch einmal, bis die Bestätigung von der Sonde im Ames Research Center eintraf.

Pioneers Sendeleistung, die zu Beginn der Mission 2048 Bit pro Sekunde betrug, ist mittlerweile auf 16 Bit pro Sekunde gefallen. Das entspricht zwei Buchstaben oder Zahlen pro Sekunde – etwa so schnell übertrug man früher Morsebotschaften. Knapp ein Trilliardstel Watt findet noch den Weg zum Deep Space Network der NASA, einer Empfangsstation, die aus drei über den Globus verteilten 70-Meter-Antennen besteht.

Inzwischen sind die Energieressourcen von Pioneer 10 so erschöpft, daß nur noch ein wissenschaftliches Instrument betrieben werden kann: abwechselnd der Geigerzähler zum Nachweis der kosmischen Strahlung und das UV-Spektrometer, das die Strahlung mißt, die vom Wasserstoff zwischen den Sternen reflektiert wird. Ende dieses oder Anfang nächsten Jahres wird die Sonde ganz verstummen.

Die NASA hat die Mission deshalb offiziell zum 1. April 1997 beendet. Die 500000 Dollar Betriebskosten pro Jahr standen in keinem Verhältnis mehr zum wissenschaftlichen Ertrag. So war das silberne Jubiläum zum 25. Jahrestag von Pioneer 10, das am 2. März dieses Jahres im Hauptquartier der NASA gefeiert wurde, zugleich ein Abschiedsfest. Von den Daten profitiert auch der akademische Nachwuchs. „Das Pioneer-Programm verhalf etwa 50 Studenten zum Doktortitel“, schmunzelte Charlie Hall, der erste Projekt-Manager von Pioneer 10, bei den Feierlichkeiten. Völlig aufgegeben hat die NASA ihre Sonde nicht. Angehende Flugkontrolleure werden sie zur Übung noch eine Weile anfunken und sporadisch ihr letztes Flüstern belauschen.

Pioneer 11 dagegen schweigt bereits seit November 1995, als sie 6,6 Milliarden Kilometer von der Sonne entfernt war. Die Funkantenne konnte nicht mehr auf die Erde ausgerichtet werden: Der Strom aus den Batterien war versiegt. In knapp vier Millionen Jahren wird Pioneer 11 an dem Stern Lambda im Sternbild Adler vorbeifliegen und in Richtung Zentrum der Milchstraße immer weiter ins All hinaustreiben.

Pioneer 10 ist inzwischen über 10 Milliarden Kilometer (67 AE), von uns entfernt – beinahe doppelt so weit wie bis zum Pluto. Mit jeder Stunde wächst ihre Distanz um weitere 45000 Kilometer. Nie zuvor ist ein irdisches Raumschiff tiefer in den Weltraum vorgedrungen. Im Februar 1998 wird die Sonde diesen Rekord allerdings an Voyager 1 abtreten müssen, die noch schneller in die entgegengesetzte Richtung davonschießt.

Mindestens 10000 Jahre wird Pioneer 10 noch unterwegs sein, bis sie die mutmaßliche Wiege der langperiodischen Kometen passieren wird: die Oortsche Kometenwolke, die das Sonnensystem wie eine Kugelschale umgibt. Und in 33000 Jahren wird sie an dem Zwergstern Ross 248 vorbeifliegen – in der stattlichen Entfernung von 3,3 Lichtjahren, immer in Richtung Sternbild Stier. Ungefähr alle Million Jahre wird sie weitere Sterne passieren, „ein Geisterschiff, das schweigsam durch den dunklen Raum treibt“, wie Larry Lasher sagt. Die Sonde wird noch zwischen den Sternen kreuzen, wenn es keinen Menschen mehr auf der Erde gibt, der sich an sie erinnern könnte.

Doch auch Pioneers Reise währt nicht ewig. Irgendwann wird die interstellare Materie, die wie feinstes Schmirgelpapier an dem metallenen Geisterschiff reibt, die Sonde zerstören. Ihr Staub wird sich im grenzenlosen Raum zwischen den Sternen verteilen.

Kosmische Flaschenpost

Pioneer 10 und 11 werden wahrscheinlich noch Zeugnis von ihren Erbauern geben, wenn die Menschen nicht mehr existieren. Zwar ist die Chance verschwindend gering, daß die Raumfahrzeuge jemals in ein anderes Planetensystem gelangen und dann auch noch von intelligenten Außerirdischen entdeckt werden. Der Journalist Eric Burgess und der Planetariumsexperte Richard Hoagland schlugen deshalb vor, die Sonden mit einer Botschaft auszustatten.

Carl Sagan, der bekannte Planetenwissenschaftler von der Cornell University in Ithaca, der Ende 1996 verstorben ist, griff diese Idee begeistert auf. Zusammen mit Frank Drake entwarf er eine 15 mal 22,5 Zentimeter große und 1,27 Millimeter dünne Aluminiumplatte, die elektrolytisch vergoldet wurde. An einer Antennenstützstrebe von Pioneer 10 und 11 wurde jeweils ein Exemplar dieser Metall-Platte befestigt.

Die Plakette, von Sagans Ehefrau Linda Salzman-Sagan gezeichnet, zeigt das Bild eines grüßenden Mannes und einer Frau, die vor der skizzierten Raumsonde stehen. Links oben befindet sich die schematisierte Darstellung eines Wasserstoff-Atoms, des häufigsten Elements im Universum. Symbolisiert sind seine beiden niedrigsten Energiezustände und die Wellenlänge der Strahlung, die bei diesem Übergang abgegeben wird (21 Zentimeter). Darunter ist eine Karte von der Position des Sonnensystems, bezogen auf 14 Pulsare und die Richtung zum Mittelpunkt der Milchstraße. Unten auf der Plakette sieht man unser Sonnensystem mitsamt der ungefähren Flugbahn der Raumsonde.

„Die Plakette“, sagt Pioneer-Projektmanager Larry Lasher, „ist eine kosmische Flaschenpost, die ihrem Finder mitteilen soll, von wo sie kommt und wer wir, die Absender, sind.“

Infos im Internet über Pioneer 10 und 11:

http://pyroeis.arc.nasa.gov/pioneer/PN10&11.html

Mitschrift der Pioneer 10-Konferenz vom März 1997: http://quest.arc.nasa.gov/pioneer10/agenda/index.html

Rüdiger Vaas

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