Grafik: NASA/JPL-Caltech

Die weiteste Reise

ULF VON RAUCHHAUPT
Grafik: NASA/JPL-Caltech

05.09.2017 · Vor 40 Jahren startete die Raumsonde Voyager 1 ins äußere Sonnensystem. Heute ist sie das am weitesten entfernte Objekt von Menschenhand. Doch sie und ihre Schwestersonde senden noch immer und bringen erstaunliche Kunde aus den Tiefen des Weltalls.

A m 14. Februar des Jahres 1990 sah Voyager 1 ein letztes Mal die Erde. Damals war die amerikanische Raumsonde bereits weiter von ihr entfernt als Neptun, der äußerste große Planet. Aus solcher Entfernung betrachtet, füllt unsere kosmische Heimat nicht einmal mehr einen Kamerapixel. Anschließend wurde die Kamera per Funkbefehl aus dem Jet Propulsion Laboratory (JPL) der Nasa in Pasadena abgeschaltet, um Energie zu sparen. Ohnehin hatte Voyager 1 seit dem Vorbeiflug am Saturn fast zehn Jahre zuvor nicht mehr viel zu sehen bekommen. Nun war die Sonde für immer blind. Und während sie sich mit der sechzehnfachen Geschwindigkeit einer Gewehrkugel immer weiter von der Sonne entfernte, umfing sie die ewige Dunkelheit des Weltraums.

Doch Voyager 1 ist nicht tot. Das Gefährt sendet noch, heute aus einer Entfernung von fast 140 Astronomischen Einheiten (AU nach dem englischen „Astronomical Units“), also dem 140-Fachen des Abstandes Erde–Sonne. Die Distanz des Neptuns zur Sonne beträgt 30,2 AU. Vierzig Jahre nach ihrem Start am 5. September 1977 ist Voyager 1 damit das entfernteste Stück Raumfahrtechnik, das noch in Betrieb ist.

Die Voyager-Sonden ähneln äußerlich ihren Vorgängern Pioneer 10 und 11, sind aber deutlich schwerer. (1) Die meisten Detektoren und die Kameras sitzen an dem Ausleger oben. (2) Der lange Baum rechts ist ein Messgerät für Magnetfelder, (3) die beiden Antennen links analysieren Plasmawellen. (4) Der dunkle Zylinder enthielt ursprünglich 4,5 Kilo oxidiertes Plutonium-238 als Energiequelle, von dem ein Teil heute zerfallen ist. Grafik: Nature Astronomy

Aber nicht ganz das älteste. Dieser Titel geht an ihre Zwillingsschwester Voyager 2, die 16 Tage zuvor, am 20. August 1977 ins äußere Sonnensystem aufbrach. Die Nummerierung rührt daher, dass Voyager 1 ihre Schwester im Dezember 1977 überholte und 1979 vier Monate vor ihr am ersten Ziel der beiden eintraf: dem Planeten Jupiter. Die Voyagers waren dort allerdings nicht die Ersten. Bereits 1973 und 1974 hatten Pioneer 10 und 11 den größten Planeten des Sonnensystems besucht, Pioneer 11 war anschließend noch am Saturn. Schon diesen zu erreichen galt noch Anfang der 1960er Jahre als technisch unmöglich. Eine Rakete dorthin müsste ja gegen das Schwerefeld der Sonne kämpfen und würde zum Neptun viele Jahrzehnte brauchen. „Damals war das Raumfahrtzeitalter noch jung“, sagt Edward Stone vom JPL, der langjährige Leiter der Voyager-Missionen. „Und es gab keinen Anhaltspunkt dafür, dass ein Raumfahrzeug so lange und in solchen Entfernungen zur Sonne reisen kann.“

So beachtete zunächst niemand den Mathematikstudenten Michael Minovitch, als dieser 1962 während eines Praktikums am JPL herausfand, dass man Objekte im Schwerefeld von Planeten beschleunigen konnte. Dadurch kann ein winziger Teil der Geschwindigkeit des kreisenden Planeten auf die Sonde übertragen und diese damit bis über die Grenzen des Sonnensystems hinausgeschleudert werden. Erst als ein weiterer JPL-Praktikant, der Ingenieur Gary Flandro, 1964 erkannte, dass man damit innerhalb von nur zwölf Jahren nacheinander Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun würde besuchen können, begann die Nasa sich für Minovitchs Entdeckung zu interessieren. Allerdings war nun Eile geboten. Die Planetenkonstellation, die eine solche „Gand Tour“ erlaubte und nur alle 176 Jahre eintritt, stand bald bevor: Der Start musste 1977 erfolgen.

Am Planeten Uranus entdeckte Voyager 2 elf bis dato unbekannte Monde. Foto: NASA

„Diese ‚Grand Tour‘ war ein ehrgeiziges Projekt mit vier Raumsonden zu allen äußeren Planeten“, erinnert sich Stone. „Doch es war zu teuer, und so wurde es auf zwei Sonden zu Jupiter und Saturn gestutzt.“ Die Ingenieure am JPL indes hielten insgeheim an Flandros Idee fest. Subversiv planten sie die Hardware der späteren Voyager-Mission an den Vorgaben ihres Managements vorbei, bauten etwa robustere Bauteile ein als für Sonden erforderlich, die nur bis zum Saturn halten müssen. Am Ende wogen die baugleichen Voyagers jeweils so viel wie ein Kleinwagen – mehr als das Dreifache der Pioneer-Sonden. Von diesen unterschieden sie sich nicht nur durch ihre modernere Instrumentierung und ein Stabilisierungssystem, das sie davor bewahrt, sich ständig um die eigene Achse zu drehen und damit unter anderem bessere Bilder ermöglicht. „Die Voyagers haben auch eine ergiebigere nukleare Energiequelle“, erklärt Suzanne Dodd, die aktuelle Projektmanagerin der Voyager-Mission. „Und redundante Bordsysteme.“

Das war entscheidend. Bei Voyager 2 zum Beispiel versagte bereits 1979 der Funkempfänger – zum Glück gab es einen zweiten an Bord, und so konnte Pasadena der Sonde befehlen, sich von Jupiter über die Entweichgeschwindigkeit aus dem Sonnensystem beschleunigen zu lassen und die Grand Tour tatsächlich bis zum Neptun zu absolvieren. Voyager 1 dagegen wäre nach der Begegnung mit dem Saturn im November 1980 bis zum Pluto weitergeflogen, hätte man sich nicht entschieden, seine Flugbahn für die Beobachtung des großen Saturnmondes Titan zu optimieren. Wäre die Sonde vorher ausgefallen, hätte Voyager 2 für die Titan-Beobachtung einspringen müssen – und mit Uranus und Neptun wäre es nichts mehr geworden.

Wo die Sonden sind

Die Bahnen der Pioneer- und Voyager- Sonden samt ihrer Positionen im Laufe der Zeit.

Pioneer 10 und 11 wurden 1972 beziehungsweise 1973 gestartet und durchquerten als erste Raumsonden den Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter, den seither elf weitere Sonden unbeschadet passiert haben. Bis 1998 war Pioneer 10 das entfernteste menschliche Artefakt, dann wurde sie von Voyager 1 überholt. Auch die Pioneers fliegen seit ihrem Verstummen weiter hinaus aus dem Sonnensystem. Animation: Carsten Feig


Doch bereits die Ergebnisse der Vorbeiflüge am Jupiter waren spektakulär. So konnten die Voyagers zum ersten Mal dessen große Monde Ganymed, Callisto, Io und Europa genauer aus der Nähe untersuchen. Dabei stellte sich heraus, dass auf Io acht aktive Vulkane brodeln und Europa unter ihrem Eispanzer von einem globalen Ozean aus Salzwasser umgeben ist. Angesichts dieser Bilder und Befunde hätte es selbst der hartherzigste Nasa-Manager nicht mehr fertiggebracht, die Sonden abzuschalten.

So ging es weiter. Als Voyager 2 dann im Sommer 1989 den Neptun passierte, sah sie dort unter anderem Stürme mit annähernd Schallgeschwindigkeit durch eine azurblaue Gashülle toben. Und mit dem letzten Himmelskörper, den Voyager 2 ablichtete, bekamen die Planetenforscher auch noch einen würdigen Ersatz für Pluto: Neptuns Mond Triton, bei dem es sich offenbar um einen eingefangenen Zwergplaneten mit großer Ähnlichkeit zu Pluto handelt. Dann änderte Neptun ein letztes Mal den Kurs von Voyager 2 und katapultierte sie, wie zuvor schon der Saturn ihre Schwestersonde, hinaus in den Raum jenseits der Ebene, in der die Planeten die Sonne umkreisen.

  • Auf Neptun herrschen die stärksten Winde im ganzen Sonnensystem. Foto: NASA
  • Voyager entdeckte sechs neue Neptun-Monde. Foto: NASA
  • Der Neptun-Mond Triton, nachdem Voyager ihn passiert hatte. Foto: NASA

Dort ist eigentlich nichts. Zwar sind die Bahnen der sogenannten Kuipergürtel-Objekte, darunter Zwergplaneten wie Pluto, oft zur Planetenebene geneigt, aber mit wachsender Entfernung sinkt die ohnehin verschwindende Chance für die Voyagers, derlei nahe zu kommen. Auch die Begegnung mit Kometen – die dort draußen nur teerschwarze Eisbrocken sind – ist praktisch auszuschließen. Die Entfernungen sind einfach zu groß. Trotzdem beschäftigt das JPL bis heute ein zwölfköpfiges Team, um die beiden Sonden zu betreuen. Täglich sind die riesigen Antennen des Deep Space Network der Nasa vier bis sechs Stunden lang auch auf Voyager 1 und 2 gerichtet, um ihnen Befehle zu übermitteln, die sie mittlerweile erst nach mehr als 19 beziehungsweise fast 16 Stunden erreichen. Und täglich wird empfangen. Mit jeweils der elektrischen Leistung eines Kühlschranklämpchens funken die Sonden die Daten ihrer vier beziehungsweise fünf wissenschaftlichen Instrumente, die von den ursprünglichen zehn noch funktionieren.

Denn in Wahrheit ist da draußen eben doch etwas: Die Teilchen und Magnetfelder der sogenannten Heliosphäre. Sie kommen fast alle von der Sonne. Wie ein Wind entströmt unserem Stern ein stetiger Strom elektrisch geladener Partikel, ein sogenanntes Plasma, mit darin eingebetteten Magnetfeldern. Für menschliche Maßstäbe ist das tatsächlich so gut wie nichts. Die Dichte der Sonnenwindteilchen beträgt in der Gegend der Erdbahn nur zehn Millionen Partikel pro Kubikmeter, was nach viel klingt, aber tausendmal weniger ist, als in irdischen Labors als das dünnste Ultrahochvakuum gilt. In den Gefilden, welche die Voyagers bis 2004 durchflogen, fällt die Plasmadichte schließlich auf tausend Teilchen pro Kubikmeter, bei einer Magnetfeldstärke von weniger als 0,3 Nanotesla – ein Hunderttausendstel des Erdmagnetfeldes. Doch irgendwann trifft der Sonnenwind auf das ebenfalls von Plasma und Magnetfeldern erfüllte Medium des interstellaren Raumes. Dort wird der Sonnenwind plötzlich abgebremst und bildet eine Schockfront. Dieser sogenannte Termination Shock umgibt die Sonne wie eine Blase. Dahinter, im sogenannten Heliosheath (etwa „Sonnenhülle“), stauen sich die Sonnenteilchen, ihre Geschwindigkeit sinkt, Dichte und Temperatur hingegen steigen, und sie mischen sich mit Partikeln aus dem interstellaren Medium.

Die Form der Heliosphäre

Wo der Teilchenwind von der Sonne auf das interstellare Medium drückt, bildet sich der sogenannte Helio-sheath (bunt), der nach jüngsten Erkenntnissen etwa kugelförmig ist und nicht vom interstellaren „Fahrtwind“ (graue Pfeile) der Bewegung der Sonne durch die Galaxis in die Länge gezogen wird. Hilfreich waren dafür Messungen von Atomen, die neutral, aber trotzdem energiereich genug sind, um ungehindert ins Innere des Sonnensystems vorzudringen, wo sie registriert werden. Sie geben Aufschluss über die Verteilung heißen Plasmas im Heliosheath: rot markiert die höchste, blau die niedrigste Dichte. Die Planetenbahnen — nicht aber die Planetenkugeln — sind maßstabsgerecht gezeigt. Grafik: Kostas Dialynas, Animation: Carsten Feig


Als die Voyager-Sonden starteten, vermutete man den Termination Shock irgendwo zwischen 5 und 50 AU, also zwischen Jupiter und dem sonnenfernsten Punkt der Plutobahn. Tatsächlich aber traf Voyager 1 die Schockfront im Dezember 2004 bei 94 AU und ihre Schwestersonde knapp drei Jahre später bei etwa 84 AU. Dann wurde es für die Forscher aber erst richtig spannend: Wie dick ist der Heliosheath? Wo würden die Sonden auf ihrer jeweiligen Bahn diesen letzten vom Sonnenwind regierten Bereich verlassen und durch die sogenannte Heliopause in das interstellare Medium eintreten? Und woran würde man es merken?

Ausgerechnet auf der vorneweg fliegenden Voyager 1 war 2007 das Plasma -Spektrometer ausgefallen, mit dem sich der Übertritt ins interstellare Medium am einfachsten hätte nachweisen lassen. Die verbliebenen Instrumente auf Voyager 1 aber zeigten von 2011 an ein zunehmend verwirrendes Bild. Mal sah es so aus, als habe das Gefährt die Heliopause passiert – dann wieder so, als sei das noch nicht geschehen. Ein Forscher am JPL klebte schließlich ein Bild der Sonde auf seine Bürotür, dazu eine Sprechblase: „Immer wenn mich keiner mehr beachtet, tu’ ich so, als würde ich das Sonnensystem verlassen“.

Erst im September 2013 klärte sich die Konfusion. Da waren auch die Daten des Detektors für sogenannte Plasmawellen ausgewertet, die noch als einzige an Bord auf Magnetbändern zwischengespeichert und viermal im Jahr zur Erde transferiert werden. Plasmawellen, angestoßen von einer Sonneneruption, die sich bis an die Grenze der Heliosphäre bemerkbar gemacht hatte, erlaubten die Bestimmung der Elektronendichte. Sie war um das Hundertfache gestiegen, die Temperatur aber um den gleichen Faktor gefallen. Voyager 1 hatte also sicher den heißen dünnen Sonnenwind verlassen und flog nun durch das kühle und dichtere interstellare Medium. Aber seit wann genau? Das konnte Stamatios Krimigis von der Johns Hopkins University beantworten. Das Team des gebürtigen Griechen betreut die Messgeräte zur Erfassung niederenergetischer geladener Teilchen. Diese wurden bei Voyager 1 eines Tages schlagartig weniger. „Wasserstoff, Helium, Sauerstoff, dies alles hatten wir fast 35 Jahre lang gemessen“, sagt Krimigis. „Und nun war es innnerhalb eines Tages verschwunden – am 25. August 2012.“

An vier Planeten: Die frühen Abenteuer von Voyager 2

Die bisher einzige Sonde, die an Uranus und Neptun vorbeiflog, verdankt dies dem Schwung, den sie sich zuerst im Schwerefeld des Jupiter holen konnte. Die Spitzen in diesem Diagramm sind eine Folge der Darstellung der Geschwindigkeiten als Relativwerte zur Sonne. Grafik: Daniel Röttele

Seither fliegt Voyager 1 durch Teilchen und Felder, die von anderen Sternen sowie von Supernova-Explosionen stammen. Doch ihre Messungen erzählen noch immer von der Sonne. So hat Kostas Dialynas von der Athener Akademie zusammen mit Krimigis und weiteren Kollegen im April in Nature Astronomy anhand von Daten des Neutralteilchen-Detektors der Saturnsonde Cassini sowie von Voyager 1 gezeigt, dass die Heliosphäre mitnichten so aussieht wie in sämtlichen Lehrbüchern dargestellt: Statt vom interstellaren Medium stromabwärts zu einem langen Schweif ausgezogen zu werden, ist sie vielmehr in etwa kugelförmig. Grund ist das mit etwa 0,5 Nanotesla unerwartet starke interstellare Magnetfeld, das die Heliosphäre in Form hält. Genaueres sollte sich zeigen, wenn bald auch Voyager 2 die Heliopause erreicht. Aber auch wenn dann beide Sonden im interstellaren Medium fliegen, bleiben sie der Sonne noch lange verbunden. Deren Gravitation nämlich reicht wesentlich weiter als ihr Teilchenwind. Erst in anderthalb Lichtjahren Entfernung oder gut 95.000 AU ist sie so schwach wie die ihrer nächsten Nachbarsterne dort. Bis die Sonden diese Distanz erreichen, dauert es noch fast 30.000 Jahre.

Die Voyagers werden das erleben, die Wissenschaft jedoch nicht mehr. Das Plutonium-238, dessen Radioaktivität die Sonden mit Energie versorgt, ist nach 40 Jahren zu fast 30 Prozent zerfallen. Die Leistung der Aggregate von ursprünglich 440 Watt sinkt gegenwärtig um vier Watt pro Jahr und würde schon jetzt nicht mehr reichen, um beispielsweise die Kameras wieder anzuschalten. Die noch aktiven Instrumente werden nur noch bis 2020 alle betrieben werden können. Dann wird eines nach dem anderen abgeschaltet – in welcher Reihenfolge, bestimmte der seit Projektbeginn 1972 amtierende und mittlerweile 81 Jahre alte Chefwissenschaftler Ed Stone. Im Jahr 2030 wird auch das letzte Messinstrument verstummen. „Danach können wir die Raumsonden noch etwa zehn weitere Jahre betreiben, wenn wir nur Ingenieurdaten erhalten wollen“, sagt Suzanne Dodd. Und dann? Dann ist das Schicksal der beiden Sonden sicherer als fast alles andere. In einigen tausend Jahren wird zumindest Voyager 2 die lokale interstellare Wolke verlassen. Die Form der Wolke in dieser Richtung ist erst kürzlich durch Beobachtungen ihrer Wirkung auf das Licht ferner Sterne mit dem Hubble Space Telescope bestimmt worden. Später wird Voyager 2 auf eine weitere Wolke treffen, und so wird es weitergehen, bis das Gefährt in 296.000 Jahren mit knapp 4,3 Lichtjahren Distanz am Sirius vorbeifliegt. Bis auf 1,6 Lichtjahre und bereits in 40.000 Jahren wird sich Voyager 1 dem Stern AC+793888 alias Gliese 445 nähern, einem roten Zwerg im Sternbild Giraffe.

Die goldenen Voyager-Schallplatten Foto: NASA

So nahe wie der Sonne wird wohl keine der Voyagers irgendeiner Welt wieder kommen. Die goldenen Schallplatten mit allerlei Erdgeräuschen, die man ihnen auf Initiative des aliengläubigen Astronomen Carl Sagan mitgab, dürfte daher auch dann nie jemand abspielen, wenn unsere Galaxie so reich an außerirdischen Kulturen wäre wie die Fernsehserie „Star Trek“. Denn das Verstummen ihrer Radiosender und das Verlöschen ihrer nuklearen Batterien wird sie für alle denkbare Technik praktisch unsichtbar machen. Dafür ist auch eine Kollision mit irgendetwas oder das Verschwinden in einem Schwarzen Loch extrem unwahrscheinlich. Und so wird es sie noch geben, wenn die Erde samt allem, was auf ihr ist, längst nicht mehr existiert. Dann werden die Voyagers, jede für sich, noch durchs Universum ziehen, Milliarden und Abermilliarden Jahre hindurch, bis in unvorstellbar ferne Zukunft.

Animation
F.A.Z.-Multimedia: Carsten Feig

Quelle: F.A.S.