Rendezvous am Jupiter

Neues über die komplexe Magnetosphäre des Jupiter

In seiner aktuellen Ausgabe widmet das Wissenschaftsjournal Nature der Analyse des Magnetfelds des Jupiter acht Artikel.

Die Strahlungsgürtel des Jupiters zu verschiedenen Zeitpunkten der 10stündigen Rotation des Planeten, Bild: NASA/JPL

Jupiter ist zurzeit das Glanzlicht am Abendhimmel. Der gasförmige Riesenplanet leuchtet als weißer, auffälliger Lichtpunkt im Süden. Schon mit einem normalen Fernglas kann man seine vier größten Monde als kleine Sternchen neben ihm erkennen. Jupiter durchwandert das Sternbild der Zwillinge und erreicht am 12. März seine höchste Position.

Das ist aber nicht der Grund für das Special von Nature. Basis der verschiedenen neuen Analysen ist ein spektakuläres Rendezvous: Anfang 2001 trafen sich die NASA-Raumsonden Cassini und Galileo am Jupiter. Cassini holte im Magnetfeld des Planeten Schwung für ihren Weiterflug zum Saturn (Vgl. Cassini passiert Jupiter), dabei zeichneten ihre Instrumente neue Bilder des Planeten und niedrige Radiofrequenzen auf. Die Daten wurden in Klangwellen umgewandelt, um die Geräusche für das menschliche Ohr hörbar zu machen, die entstehen, wenn die Teilchen der Sonnenwinde auf das Magnetschild treffen (Tondokument Jupiter). Um noch mehr gleichzeitige Beobachtungen machen zu können, richteten die Kosmologen auch noch das Hubble Weltraumteleskop und das Chandra Röntgen-Observatorium auf den Jupiter aus.

Im Zentrum des Interesses stand Jupiters Magnetosphäre, über die möglichst viele Daten erhoben wurden. Die Magnetosphäre ist das Feld rund um einen Planeten, das von seinem Magnetfeld dominiert wird. Auf diese Sphäre, in der sich geladene Ionen, Elektronen und neutrale Teilchen tummeln, trifft immer wieder der Sonnenwind und deformiert sie. Das Phänomen der von der Sonne heranströmenden Ionen hat wahrscheinlich einst die Atmosphäre des Mars mit sich gerissen und damit die Möglichkeit von Leben auf dem Planeten zunichte gemacht (Vgl. Vom Sonnenwind verweht).

Das Magnetfeld der Erde ist insgesamt eine Art Schutzschild für das Leben auf der Erde. Es hält die energiereichen kosmischen Teilchen ab, die sonst auf die Erdoberfläche stürzen würden. Erreicht der Sonnenwind die obere Atmosphäre, entstehen - auf der Erde wie auf dem Jupiter - die Polarlichter (Vgl. Das Anti-Polarlicht). Um die Erde kreist der Satellit CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload), der gezielt das Magnetfeld misst und jede Veränderung festhält. Die Daten, die CHAMP gesammelt hat, deuten daraufhin, dass sich das Erdmagnetfeld abschwächt und sich in Richtung einer Struktur mit mehreren Polen entwickelt.

Die Erforschung der Magnetosphäre ist von existenzieller Bedeutung für die Erde und eine gute Möglichkeit, das eigene Ionenschild besser zu verstehen, ist die Analyse des Magnetfeldes anderer Planeten in unserem Sonnensystem und der Vergleich der Ergebnisse.

In Nature präsentieren jetzt 82 Wissenschaftler die wichtigsten Erkenntnisse, die sie aus der Analyse der Daten von Cassini, Galileo, Chandra und Hubble gezogen haben. Die Sensoren sammelten verschiedenste Werte der Magnet-, Ladungs- und Strahlungsfelder, die Jupiter und seine Monde (Vgl. Jupitermond Europa soll belauscht werden und Hinweis auf die Möglichkeit von außerirdischem Leben?) umgeben. Jupiter hat das stärkste Magnetfeld unter allen Planeten.

Seine Magnetosphäre ist mit einem Durchmesser des 20fachen unserer Sonne das größte Objekt im Sonnensystem.

Der erste Artikel eines internationalen Astronomen-Teams um Donald A. Gurnett von der University of Iowa zeigt, dass die Kompression und die Wiederausdehnung der Magnetosphäre des Jupiter nach dem Auftreffen einer Sonnenwind-Schockwelle, den Reaktionen bei geomagnetischen Stürmen auf der Erde gleicht. Die Astrophysiker analysierten die intensiven Radiowellenausstöße und die polare Aurora. Sie zeigen auf, dass die intensiven Sonnenwinde die Aurorae des Jupiter zum Leuchten brachte. Sie sind dem irdischen nördlichen und südlichen Polarlicht ähnlich.

Scott Bolton vom Jet Propulsion Laboratory des California Institute of Technology und Kollegen analysierten die extrem energiereichen Elektronen in den Strahlungsgürtels des Jupiters. Dank Cassini und seinen Aufzeichnungen können die Gürtel im Detail und Zeitablauf beschrieben werden. Aufgrund der aufgenommen Hochfrequenz-Synchrotronstrahlung, die von der thermischen Strahlung differenziert werden konnte, entdeckten die Astronomen weit energiereichere Teilchen, als bisher angenommen. Die Elektronen haben außergewöhnliche hohe Energien bis zu 50 Mega-Elektronenvolt, bislang war man "nur" von 20 MeV ausgegangen. Es ist noch nicht klar, was diese Aufladung bedingt.

Von der Erde aus sind die beiden Strahlungen nicht voneinander gesondert zu beobachten, sie überlagern sich. Bolton, der Co-Autor von insgesamt drei Artikeln in Nature ist, ist begeistert von der einmaligen Chance des Datenabgleichs der Missionen:

Wir sehen hier die Resultate einer bemerkenswerten Gelegenheit. Wir hatten das eine Raumfahrzeug, Galileo, in der Magnetosphäre und es zeichnete auf, was dort geschah, während zur selben Zeit das andere Raumfahrzeug, Cassini, außerhalb der Magnetosphäre war und die aufströmenden Sonnenwinde aufzeichnete.

Jupiters Magnetosphäre, Bild: Cassini/NASA

Die Gruppe um William Kurth von der University of Iowa veröffentlicht in Nature die Ergebnisse der Daten über die Komprimierung und Expansion der Magnetosphäre. Sie untersuchten die Veränderungen der Magnetopause, der Grenzschicht der Sphäre, bei verschieden starken Sonnenwinden und stellten fest, dass sie sich sehr ähnlich verhält wie die der Erde.

Das ist die erste Messung des Jupiter-Systems in einer konkreten Reaktion auf den Sonnenwind von zwei Punkten aus," erläutert Kurth, "die Kombination der Beobachtungen von Galileo und Cassini helfen uns die relativen Bedeutungen des Einflusses des Sonnenwindes und anderer Faktoren zu verstehen, die die Magnetosphäre von innen beeinflussen - vor allem die Energie der Rotation Jupiters und die Zufuhr von Material durch die Vulkane auf dem Mond Io.

Io steht auch im Mittelpunkt der Analyse von Stamatios Krimigis von der Johns Hopkins University und 18 weiteren Himmelsforschern. Sie wandten ihre Aufmerksamkeit einem Gasnebel zu, der von Io ausgeht und Jupiter umgibt. Ursache sind wahrscheinlich die gigantischen Vulkanausbrüche auf dem Mond, die Gassäulen aufsteigen lassen. Mittels der von Cassini erhobenen Daten zeigen die Forscher, dass vom Jupiter ausgehend energiereiche Neutralteilchen, so genannte Energetic Neutral Atoms (ENAs), ins All befördert werden. Die Messergebnisse bestätigen die Existenz von "Killer-Elektronen" (hochenergetische Elektronen), die vom Jupiter quasi mit Lichtgeschwindigkeit kommend tief in die Erdatmosphäre eindringen und die Elektronik von Satelliten zerstören können (Vgl. Pressemitteilung MPG).

Die Wechselwirkungen zwischen Jupiter und seinen Monden haben John Clarke von der University of Michigan und seine Co-Autoren untersucht. Besonders der vulkanisch sehr aktive Satellit Io lässt schwere Ionen in die Magnetosphäre fließen und bringt sie zum Leuchten. Aber auch Ganymede und Europa hinterlassen ihre eigene Spuren, die durch ultraviolette Strahlung messbar wird. Diese Footprints lassen Rückschlüsse über die elektrodynamische Interaktion zwischen Jupiter und seinen Monden zu. Wenn diese Einflüsse genau definiert sind, kann ein präziseres Bild des Magnetfelds des gasförmigen Riesenplaneten gezeichnet werden.

Randy Gladstone vom Southwest Research Institut und Kollegen u.a. vom Max-Planck-Institut für Aeronomie in Katlenburg-Lindau haben Aufzeichnungen des Chandra X-ray Oberservatory ausgewertet und beweisen, dass die meiste Röntgenstrahlung aus der nördlichen Aurora des Jupiters aus einem Hot Spot stammt. Die Astronomen waren bislang davon ausgegangen, dass die schweren Ionen im Polarlicht aus der Magnetosphäre selbst stammen und vom Planeten empor steigen. Nach den neuen Ergebnissen ist das vermutlich falsch, viel wahrscheinlicher ist, dass sie aus den Sonnenwinden in die äußeren Schichten der Magnetosphäre eindringen.

Barry H. Mauk von der Johns Hopkins University verglichen gleichzeitig von Galilei und dem Hubble Telescope gesammelte Daten zu isolierten Flecken von Polarlicht, die manchmal außerhalb der eigentlichen Aurora-Zone auftauchen. Ihr Vergleich mit den Injektionen von Elektronen in die Magnetosphäre der Erde zeigt viele Ähnlichkeiten.

"In diesem koordinierten Programm entwickelten sich mehrere neue Anhaltspunkte bezüglich der komplexen Dynamik der Magnetosphäre Jupiters," kommentiert Thomas Hill von der Rice University in Houston, Texas, in seinem begleitenden News-and-Views-Artikel in der gleichen Ausgabe von Nature. Durch die gleichzeitige Aktion verschiedener Missionen und Institute ist das Bild der Magnetosphäre des Jupiter viel deutlicher geworden, der Erfolg zeigt, wie sinnvoll eine internationale Koordinierung der Raumfahrtmissionen ist. (Andrea Naica-Loebell)

Anzeige