Nach 13 Jahren Pause wird mit Juno, benannt nach der Gattin des römischen Göttervaters Jupiter, wieder eine Raumsonde den größten Planeten des Sonnensystems aus unmittelbarer Nähe und über einen längeren Zeitraum hinweg erkunden. Zuletzt kreiste die Sonde Galileo von 1995 bis 2003 um Jupiter. Seitdem war es um den Riesenplaneten ruhig geworden, sieht man einmal von dem kurzen Vorbeiflug der Plutosonde New Horizons im Februar 2007 ab. Juno ist eine hoch spezialisierte Raumsonde, die den Riesenplaneten selbst und sein Magnetfeld mit den extrem starken Strahlungsgürteln von einer polaren Umlaufbahn aus erforschen soll. Anders als die Vorgängermissionen wird sich Juno nicht mit den Jupitermonden befassen.

Seit ihrem Start am 5. August 2011 vom US-amerikanischen Weltraumbahnhof Cape Canaveral legte Juno etwa 2,8 Milliarden Kilometer oder rund das 19-Fache der Distanz Erde–Sonne zurück. Während der fünfjährigen Reise überprüfte die Sonde ihre Instrumente und führte nur wenige Beobachtungen durch. Damit sie Jupiter überhaupt erreichen konnte, musste Juno am 9. Oktober 2013 noch einmal an der Erde vorbeifliegen, um mit Hilfe des irdischen Schwerefelds ihre Geschwindigkeit relativ zur Sonne zu erhöhen. Die Sonde kam an unseren Planeten bis auf 560 Kilometer heran und nutzte die Gelegenheit zum Testen ihrer wissenschaftlichen Geräte und ihrer Kamera. Zur Erleichterung der Missionskontrolle wurde die volle Funktionstüchtigkeit festgestellt. Die rund 26 Monate nach dem Erdvorbeiflug bis zum Beginn der Annäherungsphase an Jupiter verbrachte Juno im ruhigen "CruiseModus", bei dem sich der weitaus größte Teil der Sonde in einer Art Winterschlaf befand. Diese Ruhephase nutzten die Wissenschaftler der NASA dazu, die Mission im Detail zu planen und die Messstrategien zu verfeinern.

Seit Anfang 2016 befindet sich Juno in der Annäherungsphase. In dieser sechsmonatigen Zeitspanne wurden die wissenschaftlichen Instrumente eingeschaltet und kalibriert. Zudem fanden erste Beobachtungen des rasch näher kommenden Riesenplaneten statt. Sie dienten dazu, das Verhalten der Instrumente unter realen Bedingungen kennen zu lernen, und ermöglichten auch Tests der Datenübertragungswege zur Erde.

Endmontage der Raumsonde
© NASA / JPL-Caltech
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Die heiße Phase

Anfang Juli, vier Tage vor der Ankunft beim Planeten, tritt die Mission in die "Jupiter Orbit Insertion Phase" ein, die eine Stunde nach dem Abbremsmanöver endet. Dieses beginnt bei der dichtesten Annäherung an den Planeten und wird mit dem Haupttriebwerk der Sonde durchgeführt. Das Triebwerk zündet am Dienstag, dem 5. Juli 2016, um 5:18 Uhr MESZ in einer Höhe von 4150 Kilometern über der Oberfläche. Das Schubmanöver dauert mehr als eine halbe Stunde. Es reduziert die Geschwindigkeit von Juno relativ zu Jupiter so weit, dass dessen Schwerkraft die Sonde auf einer lang gestreckten elliptischen Umlaufbahn einfangen kann. Auf dieser vorläufigen Bahn benötigt Juno 53,5 Tage für einen Umlauf; sie wird sie zweimal durchlaufen. Zunächst entfernt sie sich dabei bis zu 8,1 Millionen Kilometer vom Planeten. Danach wird sie durch ein weiteres Schubmanöver in den endgültigen Orbit um Jupiter gebracht. Erst dann beginnt die eigentliche Messkampagne. Die Zeit davor nutzen die Wissenschaftler, die Instrumente unter realen Bedingungen im Jupiterumfeld zu erproben. Tatsächlich sollen schon rund 50 Stunden nach der Ankunft die ersten Beobachtungen beginnen.

Nachdem Juno ihre ersten beiden Runden um Jupiter hinter sich gebracht hat, steht um den 20. Oktober 2016 das Schubmanöver zum Eintritt in die endgültige polare Umlaufbahn an. Wiederum wird das Haupttriebwerk bei Erreichen des geringsten Abstands zu Jupiter für rund eine halbe Stunde gezündet, wodurch der Maximalabstand zum Planeten und damit die Umlaufperiode drastisch reduziert werden wird. Nach dem Abschluss dieser Phase befindet sich Juno auf einer rund 90 Grad gegen den Jupiteräquator geneigten, hochelliptischen Bahn mit einer Umlaufperiode von nur noch 14 Tagen. Sie entfernt sich bis zu 45,7 Jupiterradien oder 3,3 Millionen Kilometer vom Riesenplaneten. Diese Bahn wurde gewählt, um die bislang noch weitgehend unbekannten polaren Regionen untersuchen zu können. Außerdem wird dadurch die Belastung der Sonde in den enorm starken Strahlungsgürteln des Planeten reduziert, die auch für speziell gehärtete Elektronik eine große Herausforderung ist. Durch die hohe Bahnneigung vermeidet Juno die Strahlungsgürtel zum größten Teil, indem sie einfach über sie hinwegfliegt und erst innerhalb der inneren Ränder Jupiter nahekommt.

Wie gelangte Juno zu Jupiter?
© NASA / JPL-Caltech / SuW-Grafik
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Seit ihrem Start am 5. August 2011 legte die Raumsonde Juno rund 2,8 Milliarden Kilometer im Sonnensystem zurück. Durch ein Schubmanöver des Bordantriebs im September 2012 wurde Juno in Richtung Erde gelenkt. Dort holte sie sich am 9. Oktober 2013 Schwung für den Flug zum Riesenplaneten, den sie am 5. Juli 2016 erreichen wird.

Jupiters gefährliches Reich

Die Sonde wird sich bei ihren Umläufen den sichtbaren Wolkenschichten des Planeten auf 4150 bis 8000 Kilometer annähern. So nah kam noch nie eine Raumsonde einem Gasriesen des Sonnensystems, sieht man einmal von der Tochtersonde der Mission Galileo ab, die am 7. Dezember 1995 in die Jupiteratmosphäre eindrang und bis in eine Tiefe von 160 Kilometern Daten lieferte, bevor der Funkkontakt abbrach. Durch die dichte Annäherung wird die Zeit weiter minimiert, in der sich Juno in der unmittelbaren Nähe des Riesenplaneten aufhält.

Allerdings ist dieser Bereich der Umlaufbahn der wissenschaftlich interessanteste. Juno wird in einem sechsstündigen Zeitraum, der drei Stunden vor der dichtesten Annäherung beginnt und drei Stunden danach endet, den jeweils größten Teil der wissenschaftlichen Daten und Bilder pro zweiwöchigem Umlauf aufnehmen. Der Rest der Umlaufperiode ist dann überwiegend der Übermittlung der Datenausbeute zur Erde gewidmet.

Bislang hielt sich nur die Raumsonde Pioneer 11 im Dezember 1974 für wenige Stunden in hohen jovigrafischen Breiten auf; sie war aber mit für heutige Maßstäbe sehr einfachen Messinstrumenten ausgerüstet. Die Vorgängersonde Galileo umkreiste Jupiter während ihrer rund achtjährigen Mission stets in der Äquatorebene. Ein Großteil ihrer wissenschaftlichen Arbeit bestand in der Erkundung der vier großen Galileischen Monde Io, Europa, Ganymed und Kallisto. Juno wird sich dagegen kaum um die Jupitermonde kümmern, nur gelegentlich könnten diese ins Blickfeld der Kamera gelangen.

Ein feuriges Ende

Juno soll Jupiter auf der endgültigen Bahn bis zu 34-mal umrunden. Im Februar 2018 wird die Sonde dann gezielt zum Absturz gebracht: Ein Schubmanöver senkt den jupiternächsten Punkt von Junos Umlaufbahn so weit ab, dass er unterhalb der sichtbaren Wolkenschichten des Planeten liegt. Die Sonde tritt dann mit hoher Geschwindigkeit in die dichteren Bereiche der Atmosphäre ein und verglüht durch die Reibungshitze wie ein Meteor.

Was kann Juno?
© NASA / JPL-Caltech; Jupiter: NASA / ESA / Hubble Heritage Team (STScI / AURA); JunoCam: Malin Space Science Systems; SuW
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Das brutale Missionsende ist nötig, weil die NASA verhindern möchte, dass die nicht sterilisierte Sonde eines fernen Tages auf einen der vier großen Jupitermonde stürzt und diesen dabei mit irdischen Mikroorganismen kontaminiert. Das gilt insbesondere für den Jupitermond Europa, unter dessen Eiskruste ein tiefer Wasserozean vermutet wird. Allerdings könnte die Mission, falls Juno nach 20 Monaten noch in gutem Zustand ist, um einige wenige Umläufe verlängert werden. Aber auch dann wird ihr Flug auf die gleiche Weise beendet werden.

Auch mit dem heutigen hohen Wissensstand lässt sich schlecht vorhersagen, wie gut die Bordelektronik und die wissenschaftlichen Sensoren die enorme Strahlenbelastung überstehen werden. Beispielsweise geht die NASA davon aus, dass die Kamera JunoCam höchstens einige Monate im Jupiterumfeld durchhält. Danach sind die Strahlenschäden an Elektronik und CCD-Bildsensor so hoch, dass die Kamera entweder ganz ausfällt oder nur noch stark verrauschte Bilder zur Erde übermittelt. Befände sich hypothetisch ein Astronaut an Bord von Juno, so würde er ohne spezielle Abschirmung schon bei der ersten Annäherung an Jupiter durch die starke Partikelstrahlung innerhalb weniger Stunden getötet werden.

Jupiter ist mit Abstand der größte und massereichste Planet in unserem Sonnensystem und gilt mit seinen zahlreichen Monden als ein Sonnensystem im Kleinen. Seine chemische Zusammensetzung spiegelt die Mengenverhältnisse der flüchtigen Stoffe des solaren Urnebels wider, welche sich bis heute weitgehend unverändert erhalten haben. Mit Juno wollen die Planetenforscher mehrere grundlegende Fragen zu Jupiter klären.

Wie entstand Jupiter?

Seit Langem möchten die Planetenforscher herausfinden, wie der Riesenplanet vor rund 4,6 Milliarden Jahren entstanden ist. Derzeit werden zwei Theorien diskutiert: Nach der einen bildete sich in der Scheibe aus Gas, Staub und größeren Festkörpern, welche die Sonne kurz nach ihrer Entstehung umgab, ein massereicher fester Himmelskörper. Dieser zog nach Überschreiten von etwa zehn Erdmassen Gas und Staub aus seiner näheren Umgebung an sich. Daraufhin entstand in kürzester Zeit – dass heißt in wenigen Millionen Jahren – der massereiche Riese.

Vorbeiflug von Juno an der Erde
© Erde: NASA / JPL-Caltech / MSSS; JunoCam: Malin Space Science Systems
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Die wissenschaftlichen Instrumente von Juno liefern eher abstrakte Daten und Messwerte. Daher stattete die NASA die Sonde für die Zwecke der Öffentlichkeitsarbeit mit einer Farbkamera mit der Bezeichnung JunoCam aus. Sie profitiert von der ungewöhnlichen Bahn und wird einzigartige Bilder der Polarregionen und der Wolkenoberfläche Jupiters aus unmittelbarer Nähe aufnehmen. Amateurastronomen und Weltraumenthusiasten weltweit sind von der NASA eingeladen, die Aufnahmen der Kamera zu planen und Regionen auf Jupiter für die Beobachtung vorzuschlagen. Zudem liegt die Verarbeitung der Rohdaten zu Farbbildern ebenfalls in Amateurhand. Die von JunoCam übermittelten Rohdaten werden auf der Website www.missionjuno.swri.edu/junocam online gestellt. JunoCam verwendet ein Weitwinkelobjektiv mit einer Brennweite von elf Millimetern mit einem Blickwinkel von 58 Grad. Bei der dichtesten Annäherung an die Wolkenoberfläche erreicht JunoCam eine Auflösung von rund drei Kilometern pro Bildpunkt; über den Polen aus etwa einem Jupiterradius Abstand beträgt die Auflösung rund 50 Kilometer pro Bildpunkt. JunoCam beobachtet Jupiter im sichtbaren Licht bei Wellenlängen von 480 Nanometern (blau), 554 Nanometern (grün) und 699 Nanometern (rot). Zusätzlich ist noch ein Methankanal im nahen Infraroten bei 893 Nanometern installiert. Den Bildern von JunoCam sehen neben den beteiligten Amateurastronomen auch die Missionswissenschaftler mit Spannung entgegen. Insbesondere die Polarregionen sind von großem Interesse, da hier offenbar keine Zonen und Bänder vorherrschen, sondern Wirbelstürme und Strahlströme dominieren. Aber auch den Großen Roten Fleck, einen riesigen Wirbelsturm mit etwa dem zweifachen Durchmesser der Erde, wird JunoCam mit hoher Qualität fotografieren. Beim Erdvorbeiflug wurde die Kamera getestet.

Eine alternative Theorie geht davon aus, dass sich Jupiter durch einen spontanen Kollaps eines gravitativ instabilen Teils der Akkretionsscheibe um die Sonne bildete. Dort stürzte ein Teil der Scheibe unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammen. Dies ähnelt der Entstehung der Sonne, die – allerdings in viel größerem Maßstab – aus einem spontanen Kollaps einer dichten Wolke aus Gas und Staub hervorging.

Mit Juno hoffen die Planetenforscher herauszufinden, welches Szenario bei Jupiter zutrifft. Derzeit gilt die erste Modellvorstellung als die wahrscheinlichere. Durch seine starke Schwerkraft war Jupiter in der Lage, alle Gase des solaren Urnebels in seinem Umfeld aufzusammeln und einschließlich des Wasserstoffs festzuhalten. Zudem brachten eishaltige Urkörper, die Planetesimale, Verbindungen wie Wasser, Kohlenwasserstoffe und Ammoniak auf den entstehenden Planeten.

Umlaufbahn um Jupiter
© NASA / JPL-Caltech / SuW-Grafik
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Juno soll in diesem Zusammenhang präzise den Gehalt von Wasserdampf und Ammoniak in der Atmosphäre ermitteln, woraus sich der Anteil der eisigen Planetesimale abschätzen ließe, die Jupiter bei seiner Entstehung aufsammelte. Nach wie vor ist unklar, ob sich im tiefen Inneren von Jupiter ein Kern aus schweren Elementen befindet. Durch eine präzise Erfassung der Umlaufbahnen der Sonde lassen sich die innere Struktur des Planeten und die Massenverteilung bestimmen. Juno soll ein für alle Mal die Frage klären, ob sich in Jupiter ein fester Kern verbirgt.

Eine ebenfalls schon lange offene Frage ist, wie tief sich die in der Atmosphäre sichtbaren Zonen und Bänder in das Innere des Planeten erstrecken. Mit ihren Instrumenten kann Juno im Bereich der Mikrowellen bis zu einer Tiefe von 550 Kilometern unterhalb der sichtbaren Wolkenoberfläche vordringen. Dort herrschen Drücke um etwa 1000 Bar oder mehr. Eine Eindringtiefe von 550 Kilometern hört sich zunächst einmal enorm an, doch ist das weniger als ein Prozent des Planetenradius von rund 71 000 Kilometern. Somit "ritzt" Juno mit ihren fernerkundlichen Instrumenten nur die äußerste Schicht des Planeten an.

Ein Großteil der Messungen dient der Untersuchung von Jupiters Magnetfeld und seiner extrem intensiven Strahlungsgürtel aus elektrisch geladenen Teilchen. Die enorme Stärke des Magnetfelds wird darauf zurückgeführt, dass der Wasserstoff im tieferen Inneren von Jupiter – also etwa 15 000 Kilometer unterhalb der Wolkendecke – elektrisch leitend wird und vom gasförmigen beziehungsweise flüssigen in den metallischen Zustand wechselt. Er bildet eine dicke Schicht um den möglichen festen Kern von Jupiter, in der starke Konvektionsströmungen vermutet werden. Diese können sich im metallischen Wasserstoff sehr viel schneller und intensiver bewegen als im flüssigen Eisen des äußeren Erdkerns. Zudem fließen starke elektrische Ströme durch diesen Bereich, hier wird das starke Magnetfeld also durch Induktion erzeugt.

Juno wird erstmals die geladenen Partikel und die räumliche Struktur des Magnetfelds an den Polen untersuchen und gleichzeitig die Polarlichtaktivität im Ultravioletten beobachten. Letztere entsteht durch die enorme Energie, mit der geladene Partikel wie Ionen und Elektronen, durch das Magnetfeld gelenkt, auf die hohen Schichten der Jupiteratmosphäre treffen. Sie treten dort in Wechselwirkung mit deren Molekülen und Atomen, vor allem Wasserstoff, Stickstoff und Helium.

Mit Juno wird ein neues Kapitel in der Erforschung der Riesenplaneten des Sonnensystems im Allgemeinen und von Jupiter im Speziellen aufgeschlagen. Aus den Messdaten und Bildern dürften sich bei Erfolg der Mission viele neue Aspekte ergeben und unser Wissen drastisch vermehren. Auf die nächste Mission in das große Reich des Göttervaters müssen wir dann noch eine Weile warten, denn erst im Jahr 2030 soll die europäische Raumsonde JUICE, der "Jupiter Icy Moons Explorer", nach ihrem Start im Jahr 2022 ihre Arbeit aufnehmen.