Februar 2008 – Der Planet Saturn

9. März 2008 - g.grutzeck

Weit draußen im Sonnensystem zieht der 6. Planet unseres Sonnensystems seine Bahn um die Sonne. Als Mitarbeiter der Volkssternwarte Bielefeld Ubbedissen erlebe ich es im Moment wieder fast jeden Freitag bei unseren öffentlichen Führungen. “Und hier unten, am Osthimmel befindet sich das Sternbild Löwe, dort finden wir zurzeit den Planeten Saturn.” Die Besucher sehen dem Schein der Taschenlampe nach und erkennen einen Punkt am Himmel, der ihnen wie jeder andere Stern erscheint.
Schauen Sie nach dieser Erläuterung dann allerdings durch eines unsere Fernrohre an der Volkssternwarte, so geht bei den meisten ein Wort der Verwunderung über die Lippen. “Das sieht ja fantastisch aus, ich hätte niemals gedacht, dass man den so sehen kann. Der Ring ist ja wirklich zu sehen. Ist das wirklich kein Trick, den Sie uns da vorführen ?” Kein Trick…
Bei einer mittleren Entfernung von 9,582 Astronomischen Einheiten (AE) zur Sonne erscheint Saturn uns mit dem bloßen Auge wie ein Stern. Die Angabe in AE entspricht 149.597.870.691 km und bezieht sich auf den mittleren Abstand des Erdmittelpunkts vom Zentrum der Sonne. Daran, dass Saturn uns als Stern erscheint, ändert bei dieser Entfernung auch Saturns imposante Größe von 120.536 km am Äquator (Erde 12.756 km) nichts.
Der Planet rotiert am Äquator in 10 Stunden, 47 Minuten und 6 Sekunden einmal um seine Achse. Diese im Vergleich zur Erde hohe Umdrehungsgeschwindigkeit führt dazu, dass der Gasplanet von der Kugelform abweicht und abgeplattet ist. Der Durchmesser vom Nord- zum Südpol beträgt 108.728 km, der Äquatordurchmesse 120.536 km. Bei Gasplaneten wie dem Saturn ist diese so genannte “Abplattung” besonders deutlich. Auch unsere Erde ist übrigens nicht ganz “kugelrund”.Ihr Durchmesser ist von Pol zu Pol allerdings nur etwas “abgeflacht”. Der Poldurchmesser beträgt 12.714 km, 42 km weniger als der Äquatordurchmesser.
Die mittlere Dichte des Planeten Saturn ist 0,687 g/cm³ (Erde 5,515 g/cm³) und ist damit im Durchschnitt leichter als Wasser – einmalig im Planetensystem. Saturn besteht zu ca. 96 % aus Wasserstoff und 3 % aus Helium. Der innere Aufbau des Saturns wird so beschrieben: Saturn besitzt im Inneren einen Eis-Silikat-Kern, der ungefähr 16 Erdmassen besitzt. Darüber befindet sich eine feste Schicht aus metallischem Wasserstoff (1), die nach 0,47 Saturnradien in eine erst flüssige Wasserstoffphase und dann in eine gasförmige Wasserstoffphase übergeht. Die flüssige Wasserstoffphase beginnt ca. 1.000 km unter der oberen Wolkenschicht und der Übergang gasförmig / flüssig ist nicht scharf begrenzt.
Am Nordpol des Saturn wurde schon im Jahr 1980 und 1981 durch die Voyager-Missionen ein ungewöhnliches Hexagon (Sechseck) entdeckt. Im Jahr 2006 wurde diese Struktur von der Saturnsonde Cassini wieder im infraroten Licht beobachtet (2). Die Hexagonstruktur reicht vermutlich bis in mehrere Hundert Kilometer Tiefe der Saturnatmosphäre und hat einen Durchmesser von 25.000 km. Sie scheint genauso schnell zu rotieren, wie der Saturn selbst. Die Region, in der das Hexagon liegt, wird erst in 15 Jahren von der Erde aus wieder sichtbar sein. Das liegt an der Neigung der Saturnachse, die um 26,73 Grad gegenüber der gedachten Bahnebene um die Sonne geneigt (Neigung der Erdachse 23,44 Grad).
Der Südpol des Saturn zeigt ein vollkommen anderen Anblick, dort findet sich ein riesiges “Auge”. Dieses Auge ist das Zentrum eines ungefähr 8.000 km großen Wirbelsturms (3).
Die Saturnrotation konnte erst durch die Cassini-Raumsonde genau bestimmt werden. Die Rotationszeit war zuvor von der Erde aus durch die Auswertungen von Radiostrahlung vom Saturn ermittelt worden. Diese Radiostrahlung ergab aber keinen exakten Wert für den Umlauf, sondern der Wert schwankte um 6 Minuten. Nach Cassinis Messungen rotiert der Saturn langsamer als angenommen (4).
Die Bahn des Planeten ist nicht kreisrund, sodass seine Entfernung zur Sonne zwischen 9,021 AE im Perihel und 10,054 AE im Aphel schwankt. Die Bahnneigung beträgt 2,484 Grad und für einen Umlauf um die Sonne (siderischen Umlauf) braucht Saturn 29,457 Jahre. Die synodische (d. h. auf die Erde bezogene) Umlaufzeit beträgt 378,09 Tage.
Das Auffälligste am Planeten Saturn ist sein Ringsystem. Beobachtet man Saturn durch einen Feldstecher 8×30, so sieht man von den Ringen noch nichts, man kann nur eine “Verdickung” an den Seiten des Planeten sehen. Erst bei einer höheren Vergrößerung, ab ca. 30-fach und einer Geräteöffnung von 40 mm ist der Ring als solcher zu erkennen. In einem größeren Fernrohr lässt sich dann die ganze Pracht des Saturns mit seinen Ringen beobachten. Es werden dann außerdem die Wolkenbänder der Saturnatmophäre sichtbar. Diese sind gegenüber den Wolkenbändern des Gasplaneten Jupiter aber wesentlich kontrastärmer. Folgende Filter helfen bei der Beobachtung des Saturn: Hell und dunkelblaue Filter (Wratten 38A und 80A) lassen die Details in der Saturnatmophäre mit ihren verschiedenen Wolkenbändern besser hervortreten. Ein Grünfilter (Wratten 56) hilft bei der Beobachtung der Ringe, da er für den Beobachter die unterschiedlichen Helligkeiten in den Ringen deutlicher erscheinen lässt.
Genau das gleiche Problem wie die heutigen Fernglasbeobachter hatte auch der erste Beobachter des Planeten Saturn im Jahre 1610. Galileo Galilei schrieb in einem verschlüsselten Brief an seinen ehemaligen Schüler und Förderer Cosimo II. de´Medici den Text Smaismrmilmepoetaleumibunenvgttavrias.
Dieser konnte den Text jedoch nicht entziffern, und so musste Galilei die Lösung nachliefern. Sie lautet: Altissimum planetam tergeminum observavi – Den obersten Planeten habe ich dreigestaltig gesehen.
Galileo Galilei hatte in seinem kleinen Fernrohr (2,4 Zoll Öffnung und 20-fache Vergrößerung) den Planeten nicht genau genug erkannt und hielt den Ring für 2 Monde des Planeten. Im März 1610 veröffentlichte Galileo seine Beobachtungen in dem Werk Sidereus Nuncius (5), welches er dem Medici widmete. Erst 46 Jahre später, im Jahr 1656, konnte der Astronom Christiaan Huygens die wahre Natur von Galileos “Monden” beobachten und deuten: das Ringsystem des Planeten Saturn.
Die wohl bekannteste Entdeckung machte Giovanni Domenico Cassini im Jahre 1675. Er sah als Erster die große Teilung in den Ringen. Sie wurde nach ihm als Cassiniteilung benannt und teilt den A- und den B-Ring voneinander. Cassini äußerte auch schon die richtige Vermutung, dass die Ringe aus einzelnen Partikeln bestehen.
Die Ringe des 6. Planeten bestehen aus Tausenden von Einzelringen. Das Ringsystem hat eine Ausdehnung bis 960.000 km Durchmesser, wobei nur die hellsten Ringbestandteile von der Erde aus sichtbar sind. Es beginnt schon 7.000 km über der Oberfläche des Planeten. Der Ring umkreist Saturn in seiner Äquatorebene. Der Äquator des Saturn ist um 26,73 Grad gegenüber der Bahnebene geneigt und somit auch der Ring. Dadurch zeigt uns der Ring des Saturn nicht immer den gleichen Anblick, sondern alle 14,8 Jahre verschwindet der Ring, da er uns dann seine “Ringkante” zeigt. Im Jahre 2009 ist es wieder soweit, der Saturnring wird vorübergehend zu einer Linie(6).
Die Bezeichnung der einzelnen Ringe wird durch einen Buchstaben gekennzeichnet.Der erste Ring, der beobachtet wurde, träg den Buchstaben A. Von der Planetenoberfläche als erstes steht der D-Ring, dann folgen in immer größeren Abständen von der Oberfläche der C-, B-, A-, F-, G- und schließlich der E-Ring (7).
Die Ringe sind unterschiedlich breit. Der auffällige B-Ring hat eine Breite von 25.500 km, der A-Ring eine Breite von 14.600 km. Der anschließende F-Ring ist dagegen nur 30 bis 500 km breit.
Vergleicht man nun die Breite der Ringe mit ihrem Durchmesser, fällt auf, dass die inneren Ringe mit einem Durchmesser von nur ca. 100 Meter (B- und A-Ring) verglichen mit den äußeren Ringen mit einem Durchmesser von 100 bis 1000 km ( z. B. der G-Ring) wesentlich dünner sind. In den Ringen sind von der Erde aus 2 Teilungen zu sehen: Die oben beschrieben Cassinische-Teilung zwischen dem B- und A-Ring und die wesentlich schwieriger zu sehende Encke-Teilung im A-Ring. Diese nur rund 325 km breite Lücke wurde im Jahre 1837 vom deutschen Astronomen Johann Franz Encke an der Sternwarte in Berlin entdeckt (8). Zurzeit ist die Raumsonde Cassini im Saturnsystem unterwegs und untersucht Saturn und dessen Monde [9, 10]. Die erste Mondentdeckung wurde im Jahr 1655 vom schon erwähnten Astronomen Christiaan Huygens gemacht. Die Saturnmonde Japetus und Rhea wurden 15 Jahre später in den Jahren 1671 / 1672 wiederum vom Astronomen Giovanni Domenico Cassini entdeckt. 1684 gelang Cassini auch noch die Entdeckung der Saturnmonde Tethys und Dione. Zurzeit sind etwa 60 Monde im Saturnsystem bekannt (11). Die Bewegung der Monde im Saturnsystem ist im Fernrohr im Laufe einer Nacht schön zu beobachten. Es kommt auch häufig zu Mondbedeckungen durch den Saturn, wenn die Monde auf ihrer Bahn um den Planeten von uns aus gesehen hinter dem Saturn verschwinden. Auch Monddurchgänge, das bedeutet, das der Mond von uns aus gesehen vor dem Saturn läuft, kann man beobachten. Man sieht zwar den Mond dann nicht selbst, aber seinen Schattenwurf auf den Saturn kann man beobachten. Seltener sind Ereignisse, in denen sich die Saturnmonde gegenseitig bedecken. Der größte Saturnmond Titan hat einen Durchmesser von 5.150 km und ist damit wesentlich größer als unser Erdmond, der einen Durchmesser von 3.476 km hat. Auch der Planet Merkur ist mit seinen 4.879 km kleiner als Titan. Titan ist der einzige Mond im Sonnensystem, der eine Atmosphäre besitzt. Diese wurde 1909 nach Beobachtungen durch den Astronomen Jose Comas Sola von ihm vermutet. Im Jahre 1944 wurde die Atmosphäre des Titan dann durch den Astronomen Gerard Kuiper durch spektroskopische Untersuchungen nachgewiesen. Diese Atmosphäre wurde am 14. Januar 2005 von der Raumsonde Huygens erforscht (12). Der Lander war am 25. Dezember 2004 von der Saturnsonde Cassini abgelöst worden und machte sich auf den Weg zum Titan. Nach 60.000 Kilometern trat die Sonde um 11.04 UTC in die Atmosphäre des Mondes ein und sendete auf dem Flug durch die Atmosphäre in 2 Stunden 27 Minuten und 13 Sekunden über 750 Bilder sowie aus 5 Messgeräten Daten der Atmosphäre an die Raumsonde Cassini, die als Empfangstation diente. Nachdem die Sonde Huygens auf dem Mond mit 4,5 m/s Sekunde aufschlug, wurden nochmals für 1 Stunde 12 Minuten und 9 Sekunden Daten und Bilder aufgefangen. Danach versagten die Geräte des Landers. Die Titanatmosphäre besteht zu 94 % aus Stickstoff, zu 6 % aus Methan und Argon. Es finden sich aber auch Spuren von organischen Verbindungen wie Ethan, Propan, Etin und anderen in der Titanatmosphäre. Die Oberfläche des Titan besteht aus Wassereis und gefrorenem Kohlenwasserstoff (13). Man könnte allein über die Saturnmonde viele Seiten Text füllen. Das würde aber den Rahmen dieses Artikels sprengen. Es gibt noch eine Fülle anderer neuer Erkenntnisse aus der Cassini- Hygens-Mission. Die Cassini-Mission ist noch nicht abgeschlossen, es wird also auch in Zukunft noch viele spannende neue Erkenntnisse über den Herr der Ringe geben. Saturn bleibt also nicht nur im Fernrohr eines der interessantesten Objekte am nächtlichen Firmament. Ein besonderer Hinweis gilt noch der Zeitschrift “Sterne und Weltraum”, Ausgabe 2 / 2008. Dort werden spektakuläre Aufnahmen des Saturnsystems, die die Raumsonde Cassini gemacht hat, gezeigt (14)

Bild 1 Bild 2
Abb. 1: Diese Bildreihe von Bernd Gährken zeigt, inwieweit die Öffnung eines Fernrohres für die Abbildung des Planeten wichtig ist, hier im Besonderen für die Cassinische Teilung. Gut zu erkennen ist auch die zunehmende Helligkeit der Einzelbilder mit zunehmender Fernrohröffnung. Abb. 2: Die Bedeckung des Saturn durch den Mond ist im Fernrohr ein spektakulärer Anblick. Auch fotografisch ist diese Begegnung besonders reizvoll. Bernd Gährken fotografierte am 22. Mai 2007 ein solches Ereignis.
Bild 3 Bild 4
Abb. 3: Christian Schuchter von der Sternwarte Singen fotografierte am 03.11.2001 eine Bedeckung des Saturn durch den Mond mit einer Digitalkamera Olympus Camedia 3000. Beobachtungsort war die Sternwarte in Kreuzlingen in der Schweiz. Es wurde ein 48"-Cassegrain-Teleskop verwendet und 1/30 Sekunde belichtet. Abb. 4: Diese Montage zeigt Saturn mit seinen fünf hellsten Monden. Wolfgang Bodenmüller nahm das Bild am 04. Februar 2007 um 21:09 Uhr MEZ in Stockach mit einer Webcam auf. Die kurz belichtete Aufnahme des Saturn wurde mit einer länger belichteten Aufnahme der Monde kombiniert.
Bild 5 Bild 6
Abb. 5: Auf dieser Aufnahme von Mario Weigand sind 7 Saturnmonde zu sehen. Auch hier wurde ein Komposit erstellt, um die dunkleren Monde mit der hellen Planetenscheibe in einem Bild zu vereinen. Abb. 6: Diese bemerkenswerte Aufnahme von Mario Weigand zeigt den lichtschwachen Saturnmond Phoebe, der weit entfernt vom Saturn seine Bahn zieht. Der Mond hat einen mittleren Durchmesser von lediglich 220 km und eine Helligkeit von 16.5 Magnituden.
Bild 7 Bild 8
Abb. 7: Dieses Bild war die erste Aufnahme des Saturn von Christoph Schaefer. Diese gelungene Premiere wurde am 6. April 2007 an seiner "Himmelwarte" in der Schweiz gewonnen. Dabei kam ein 6-zölliges Teleskop Intes MN-61 De Luxe 900 mm f/6 zum Einsatz, dessen Brennweite mit einem Baader FFC 6fach verlängert worden war. Die Aufnahmen entstanden mit einer ASTSC1BW Webcam mit Schwarzweißchip. Mit einem Filtersatz von Astronomik wurden L-IR-R-G-B Bilder gewonnen. Von den 2.500 Einzelbildern wurden je 5% der Bilder verwendet und in RegistaxV4 gestackt. Die weitere Bildbearbeitung erfolgte mit Photoshop. Das Bild zeigt links oben das Luminanzbild, rechts oben das Rotbild, links unten das Blaubild und rechts unten das endgültige Farbbild. Das IR-Bild und das Grünbild wurden hier weggelassen, weil ihre Schärfe nicht optimal ausfiel. Abb. 8: Wolfgang Bodenmüller, Sternwarte Singen zeigt mit diesem Bild die Stellung des Saturnringes im Verlauf der Jahre von 2003 bis 2007. Als Fernrohr für diese Aufnahmen kam ein 11 Zoll Celestron Cassegrain Teleskop und eine Webcam vom Typ Philips ToUCam Pro zum Einsatz.
Bild 9 Bild 10
Abb. 9: Diese Saturnansicht vom 24. Januar 2006 gelang Wolfgang Bodenmüller an der Sternwarte Singen. Instrument war ein 11" Celestron Schmidt-Cassegrain-Teleskop bei 5.600 Millimetern Brennweite. Verwendet wurde eine 2-fach Barlowlinse. Abb. 10: Tobias Dietrich belichtete den Saturn an der Sternwarte Singen am 07. April 2006 an einem 11" Celestron Schmidt-Cassegrain-Teleskop. Das Bild ist ein Summenbild aus 150 Einzelbildern , die Aufnahme erfolgte mit einer ToUCam Pro Webcam von Phillips.
Bild 11 Bild 12
Abb. 11: Martin Wagner nahm dieses Bild des Saturn an einem Newton-Teleskop mit 1.300 Millimeter Brennweite auf. Es wurde in am 15. Januar 2005 in Okularprojektion aufgenommen. Abb. 12: Ein weitere Aufnahme von Martin Wagner zeigt den Ringplaneten am 10. April 2007. Aufnahmedaten wie Abb. 11.
Bild 13 Bild 14
Abb. 13: Am 26. Januar 2007 nahm Mario Weigand in Offenbach den Saturn durch ein Celestron C11 auf, dessen Brennweite mit einer 3-fach Barowlinse verlängert wurde. Kamera war eine DMK 21 F04, die Aufnahme erfolgte nach dem L-RGB-Verfahren. Der Luminanzkanal wurde mit einem Baader IR-Passfilter belichtet, die RGB-Aufnahme erfolgte mit einem Baader IR-Cut-Filter. Abb. 14: Der kleine Feldberg war am 1. Mai Aufnahmeort für dieses Saturnbild von Mario Weigand. Optik war ein Celestron C11 dessen Brennweite mit einer Baader FFC Barowlinse verlängert wurde. Der Luminanzkanal der L-RGB-Aufnahme wurde mit einer Firewrire-Kamera DMK 21 F04 durch ein Filter Meade Wratten 25 belichtet, der RGB-Kanal mit einer ToUCam Pro II. Mit dem Programm Registax wurden die Aufnahmen zu einem Gesamtbild kombiniert.
Bild 15 Bild 16
Abb. 15: Am 22. Dezember 2007 entstand diese Aufnahme von Mario Weigand an einem C14 XLT mit einer DMK 21 F04 Kamera. Projiziert wurde mit einer Baader FFC Barowlinse, als Filter kam ein Astronomik RGB IIc zum Einsatz. Aufnahmeort war der Kleine Feldberg. Abb. 16: Die Saturnringe im Detail zeigt dieses Vergleichsbild von Bernd Gährken. Es wurde am 80 Zentimeter Spiegelteleskop der Sternwarte München aufgenommen.
Bild 17 Bild 18
Abb. 17: Auch dieses Bild entstand in München am 80-Zentimeter-Spiegelteleskop durch Bernd Gährken. Es zeigt den Saturn am 09. April 2007. Abb. 18: Am 22. Juni 2006 war eine besondere Struktur im Bereich der Wolkenbänder des Saturn zu sehen, ein so genannter weiser Fleck. Wiederum war Bernd Gährken der Autor dieses Bildes diesmal mit dem 10" Refraktor der Münchner Volkssternwarte.
Bild 19
Abb. 19: Mit einem 8" f/10 Schmidt-Cassegrain-Teleskop von Meade der Baureihe LX200 (Classic), einem Baader IR-Cutfilter und einer 2-fach-Barlowlinse nahm Alexander Weis den Ringplaneten am 10.02.2008 kurz nach Mittarnacht auf. Aufnahmegerät war eine Webcam Modell ToUCam Pro Webcam von Phillips. Die etwa 1.500 Einzelbilder wurden in Registax gemittelt und geschärft, die Farben wurden mit Photoshop von Adobe nachbearbeitet.

Quellen:
(1) http://de.wikipedia.org/wiki/Metallischer_Wasserstoff
(2) http://www.jpl.nasa.gov/news/news.cfm?release=2007-034
(3) http://www.nasa.gov/mission_pages/cassini/multimedia/pia08332.html
(4) http://www.nasa.gov/mission_pages/cassini/media/cassini-062804.html
(5) http://de.wikipedia.org/wiki/Sidereus_Nuncius
(6) http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Saturnoppositions.jpg
(7) http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Saturn%27s_ring_plane.jpg
(8) http://www.surveyor.in-berlin.de/himmel/Bios/Encke.html
(9) http://solarsystem.dlr.de/Missions/cassini/instruments.shtml
(10) http://saturn.jpl.nasa.gov/home/index.cfm
(11) http://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Saturnmonde
(12) http://saturn.jpl.nasa.gov/operations/huygens-mission.cfm
(13) http://www.esa.int/SPECIALS/Results_from_Mars_Express_and_Huygens/SEMK1TULWFE_0.html
(14) http://www.suw-online.de/page/p_sdwv_ausgabe&sv[r_sdwv_zeitschrift]=798889&sv[f_sonderheft]=off&_z=798889
weiterführende Seiten sind:
http://www.esa.int/SPECIALS/Cassini-Huygens/index.html
http://saturn.jpl.nasa.gov/home/index.cfm