Voyager: Die NASA-Mission von Jupiter und Saturn zu allen vier äußeren Riesenplaneten

Die Voyager-Sonden der NASA starteten 1977 mit dem Ziel, Jupiter und Saturn aus der Nähe zu untersuchen, darunter Saturns Ringe und die größten Monde beider Planeten. Der Plan wurde erweitert, als sich die Möglichkeit ergab, Voyager 2 bis zu Uranus und Neptun weiterfliegen zu lassen. Zusammen erkundeten die beiden Raumfahrzeuge alle vier äußeren Riesenplaneten, 48 ihrer Monde sowie die Ringsysteme und Magnetfelder dieser Welten, wie aus der von der NASA veröffentlichten Geschichte der Voyager-Mission hervorgeht.

Die Planetengeometrie und das Gravitationsmanöver

Die Missionsplanung nutzte eine seltene Konstellation der äußeren Planeten, die ungefähr alle 175 Jahre auftritt. Auf einer geeigneten Flugbahn kann ein Raumfahrzeug von einem Planeten zum nächsten gelangen, ohne große Antriebssysteme an Bord zu benötigen. Bei jeder Begegnung krümmt die Schwerkraft des Planeten die Flugbahn des Raumfahrzeugs und erhöht seine Geschwindigkeit, sodass es sein nächstes Ziel erreichen kann. Diese Technik wird als Gravitationsmanöver bezeichnet.

Nach Angaben der NASA verkürzte sich dank dieser Konstellation die geplante Flugzeit bis Neptun von 30 auf 12 Jahre. Ein Flug zu vier Planeten galt zwar als möglich, doch der Bau eines Raumfahrzeugs, das diese Strecke zurücklegen, die nötigen Instrumente mitführen und während der erforderlichen Zeit funktionieren konnte, wurde als zu kostspielig angesehen. Deshalb konzentrierte sich das finanzierte Programm auf Vorbeiflüge an Jupiter und Saturn. Vor der Auswahl der Routen wurden mehr als 10.000 Flugbahnen untersucht. Die ausgewählten Routen ermöglichten nahe Begegnungen mit Jupiter und seinem Mond Io sowie mit Saturn und seinem Mond Titan; bei der Flugbahn von Voyager 2 blieb die Möglichkeit erhalten, weiter zu Uranus und Neptun zu fliegen.

Zwei Starts und eine verlängerte Route

Voyager 2 startete zuerst, am 20. August 1977, von Cape Canaveral in Florida. Voyager 1 wurde am 5. September auf eine schnellere und kürzere Flugbahn geschickt. Beide flogen mit Titan-Centaur-Raketen und waren für eine fünfjährige Mission gebaut. Im weiteren Verlauf der Reise programmierten die Teams am Boden die Sonden außerdem um, um ihnen zusätzliche Fähigkeiten zu verleihen.

Voyager 1 erreichte Jupiter am 5. März 1979 und Saturn am 12. November 1980. Voyager 2 flog am 9. Juli 1979 an Jupiter und am 25. August 1981 an Saturn vorbei. Ihre Flugbahn nach Saturn ermöglichte die Weiterreise zu Uranus, den sie im Januar 1986 erreichte, und anschließend zu Neptun, der im August 1989 erreicht wurde. Die NASA genehmigte die zusätzlichen Missionsabschnitte, während die Mission voranschritt. Die für einen Vorbeiflug an Titan und hinter Saturns Ringen ausgelegte Route von Voyager 1 führte sie dagegen nördlich der Ebene, in der die meisten Planeten umkreisen.

Jupiter und Io: Vulkanismus und Magnetosphäre

Die Kameras beider Sonden nahmen mehr als 33.000 Bilder von Jupiter und seinen fünf Hauptmonden auf und erfassten außerdem weitere Messdaten. Nach Angaben der NASA offenbarten die Vorbeiflüge physikalische, geologische und atmosphärische Prozesse, die aus früheren Beobachtungen nicht bekannt waren. Zu den bemerkenswerten Entdeckungen gehörte die vulkanische Aktivität auf Io – die erste Beobachtung aktiver Vulkane auf einem anderen Himmelskörper im Sonnensystem.

Die Beobachtungen stellten auch einen Zusammenhang zwischen der Aktivität von Io und der Umgebung Jupiters her. Am äußeren Rand der Magnetosphäre des Planeten wurden Schwefel, Sauerstoff und Natrium nachgewiesen. Nach der Erklärung der NASA könnten diese Elemente von den Vulkanen auf Io ausgestoßen oder durch den Einschlag energiereicher Teilchen von der Oberfläche abgelöst worden sein. Die Magnetosphäre ist die Region um einen Planeten, die vor allem von seinem Magnetfeld beeinflusst wird. Das beobachtete Material ordnete die Aktivität des Mondes somit in den größeren Kontext des Jupitersystems ein.

Saturn: Winde, Atmosphäre und eine mögliche Erklärung

Die Vorbeiflüge an Saturn lieferten Nahbeobachtungen und hochauflösende Daten. Nahe dem Äquator maßen die Sonden Winde von etwa 500 Metern pro Sekunde. Sie erfassten außerdem Strukturen in der Atmosphäre, ultraviolette Wasserstoffemissionen und Polarlichter in den Polarregionen. Beide Raumfahrzeuge bestimmten Saturns Rotationsdauer mit 10 Stunden, 39 Minuten und 24 Sekunden.

Voyager 1 stellte fest, dass Helium etwa 7 % des Volumens von Saturns oberer Atmosphäre ausmachte; die NASA-Seite vergleicht diesen Anteil mit 11 % in der Atmosphäre Jupiters. Die Quelle führt aus, dass der geringere Heliumanteil in den oberen Schichten Saturns darauf hindeuten könnte, dass das schwerere Helium langsam durch den Wasserstoff absinkt. Dieser mögliche Vorgang könnte dazu beitragen, den Wärmeüberschuss zu erklären, den Saturn im Verhältnis zu seiner Energieaufnahme von der Sonne abgibt. Die Erklärung wird als Möglichkeit formuliert, nicht als endgültige Schlussfolgerung.

Uranus, Neptun und die Reichweite der Mission

Im Januar 1986 flog Voyager 2 nahe an Uranus vorbei und übermittelte Bilder sowie umfangreiche Daten über den Planeten, seine Monde und Ringe, seine Atmosphäre, sein Inneres und seine magnetische Umgebung. Die Bilder seiner fünf größten Monde zeigten Oberflächen mit unterschiedlichen geologischen Entwicklungen. Die Kameras entdeckten außerdem 11 zuvor nicht beobachtete Monde, und die Instrumente identifizierten zwei neue Ringe. Im August 1989 schloss die Sonde ihre Begegnung mit Neptun ab.

Die Abfolge der Besuche machte aus der zunächst auf Jupiter und Saturn ausgerichteten Mission eine Reise zu allen vier äußeren Riesenplaneten. Die NASA beziffert die Zahl der von Voyager 1 und Voyager 2 erkundeten Monde auf 48, zusätzlich zu den Ringsystemen und Magnetfeldern dieser Planeten. Die Beobachtungen von Io, die Messungen der Saturnwinde und die von Uranus übermittelten Daten veranschaulichen die Vielfalt der bei den Vorbeiflügen gewonnenen Ergebnisse. Im Fall Saturns beschreibt die Quelle den vermuteten Zusammenhang zwischen Helium und der abgegebenen Wärme weiterhin als mögliche Erklärung.