1. März 2018
Mission Mars Express

Neue Mars-Ex­press-Auf­nah­men der Mars­mon­de Pho­bos und Dei­mos

Astrometrische Beobachtung von Phobos
Astro­me­tri­sche Be­ob­ach­tung von Pho­bos
Bild 1/4, Credit: ESA/DLR/FU Berlin CC BY-SA 3.0 IGO.

Astrometrische Beobachtung von Phobos

Astro­me­tri­sche Be­ob­ach­tung mit dem Su­per Re­so­lu­ti­on Chan­nel (SRC) des Ka­me­ra­sys­tems HR­SC. Im Vor­der­grund der zwi­schen 18,2 und 26,0 Ki­lo­me­ter große Mars­mond Pho­bos, im Hin­ter­grund ein Re­fe­renz­stern (rot um­ran­det) zur ge­nau­en Be­stim­mung der La­ge. (Or­bit 17746, 8. Ja­nu­ar 2018)
Deimos und Saturn
Dei­mos und Sa­turn
Bild 2/4, Credit: ESA/DLR/FU Berlin CC BY-SA 3.0 IGO.

Deimos und Saturn

Astro­me­tri­sche Be­ob­ach­tung mit dem Su­per Re­so­lu­ti­on Chan­nel (SRC) des Ka­me­ra­sys­tems HR­SC. Im Vor­der­grund ist der nur 6,2 Ki­lo­me­ter klei­ne Mars­mond Dei­mos zu se­hen, im Hin­ter­grund sieht man Sa­turn, der deut­lich an sei­nen Rin­gen zu er­ken­nen ist (Or­bit 17770, 15. Ja­nu­ar 2018)
Verbesserung des Figurenmodells von Phobos
Ver­bes­se­rung des Fi­gu­ren­mo­dells von Pho­bos
Bild 3/4, Credit: ESA/DLR/FU Berlin CC BY-SA 3.0 IGO.

Verbesserung des Figurenmodells von Phobos

Die­se nur leicht un­ter­schied­li­chen Auf­nah­men wur­den mit fünf ver­schie­de­nen Kanä­len der HR­SC im Or­bit 17.342 am 12.09.2017 er­stellt: dem Na­dir­ka­nal (Mit­te) und den je­weils zwei Pho­to­me­trie - (links und rechts der Mit­te) und Ste­reo­kanä­len (je­weils au­ßen). Da­durch, dass in je­dem Bild ein wei­te­res Stück der Mond­ober­flä­che in ei­nem leicht ver­set­zen Blick­win­kel zu se­hen ist, kann man das Mo­dell sei­ner Ober­flä­chen­form ver­bes­sern.
Phobos-Aufnahme mit dem Nadirkanal der HRSC
Pho­bos-Auf­nah­me mit dem Na­dir­ka­nal der HR­SC
Bild 4/4, Credit: ESA/DLR/FU Berlin CC BY-SA 3.0 IGO.

Phobos-Aufnahme mit dem Nadirkanal der HRSC

Auf­nah­me des Mars­mon­des Pho­bos mit dem Na­dir­ka­nal der HR­SC in vol­ler Auf­lö­sung, auf­ge­nom­men beim Vor­beiflug am 12.09.2017 im Or­bit 17.342 (Aus­schnitt von Bild 3).
  • Neue, hochaufgelöste Aufnahmen der Mars-Kamera HRSC zeigen die Oberfläche des Marsmondes Phobos mit einer Auflösung von neun Metern pro Pixel.
  • Solche Daten verbessern die Berechnung der Positionsdaten und ermöglichen genauere Modelle der Mondoberfläche.
  • Phobos wäre ein ideales Ziel für einen permanenten "Beobachtungsposten" der Marsoberfläche, die HRSC-Daten könnten bei der Auswahl einer Landestelle helfen.
  • Schwerpunkt(e): Raumfahrt, Planetenforschung

Der Mars-Express-Orbiter ist gegenwärtig der einzige Satellit, der den Mars aus einer elliptischen Umlaufbahn erkundet. Das ermöglicht auch regelmäßige nahe Vorbeiflüge an Phobos, dem größeren der beiden Marsmonde. Im Sommer 2017 konnte der Mond aus circa 115 Kilometern Entfernung von der Kamera HRSC beobachtet werden. Die vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelte und betriebene hochauflösende Stereokamera HRSC lieferte Bilder des Mondes mit einer Auflösung von bis zu vier Metern pro Pixel. Von der nun mehr als 14 Jahre andauernden ESA-Mission Mars Express wurde Phobos schon mehrmals aus Entfernungen von weniger als 150 Kilometern beobachtet.

Eine Grundvoraussetzung für solche spektakulären Bilder aus dem All ist ein sehr genaues Wissen über die Position von Phobos auf seiner Umlaufbahn um den Mars. Da die Raumsonde mit cirka drei Kilometern pro Sekunde an dem Objekt vorbeirast, bleiben lediglich wenige Sekunden, um den nur 26 Kilometer durchmessenden, unregelmäßig geformten Körper zu beobachten. Durch Untersuchungen in Bildern des Super Resolution Channels, der Bestandteil der Kamera HRSC ist und Bilder in viermal höherer Auflösung als die HRSC liefert, konnten seit Missionsbeginn (2003) immer wieder Messwerte der Position der Marsmonde gegenüber dem Sternenhimmel gewonnen werden (Bild 1). Diese nutzt man zur kontinuierlichen Positionsbestimmung und der Verbesserung der Positionsvorhersage für die Marstrabanten.

Genaue Modelle der Mondoberfläche durch HRSC-Aufnahmen

Die Methoden für die Berechnung der Positionsdaten haben sich im Laufe der Mission Mars Express durch Weiterentwicklung kontinuierlich verbessert. Anfangs nutzte man nur einfache Modelle des Körpers, sogenannte dreiachsige Ellipsoide. Bei solchen Körpern wird der Äquator, im Gegensatz beispielsweise zur Erde, nicht durch einen Kreis mit dem Radius a, sondern durch eine Ellipse mit den Radien a und b beschrieben, zusätzlich zum kleinsten Radius c entlang der Polachse. Mit einem solchen dreiachsigen Ellipsoiden kann die Position von Phobos in den Bildern auf ungefähr ein bis zwei Kilometer genau bestimmt werden. Unterdessen kann man auf genaue Figurenmodelle (also Modelle, die seine exakte Form darstellen) zurückgreifen und die erwartete Position und das Aussehen von Phobos in den Bildern simulieren. Dadurch gelingen die Beobachtungen mit viel höherer Präzision. Eine Unsicherheit bei der Positionsbestimmung von nur 100 bis 200 Metern verbleibt jedoch.

Astrometrische Beobachtung mit dem Super Resolution Channel (SRC) der HRSC-Kamera von Phobos und Saturn
Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Im letzten Jahr wurden spezielle Aufnahmen ausgewertet, die mehrere Körper des Sonnensystems in einem Bild zeigen. So wurden Phobos und Deimos zusammen oder jeweils einzeln mit Jupiter oder Saturn (Bild 2, Video) im Hintergrund aufgenommen. Die beiden Planeten befinden sich dabei jedoch in mehreren hundert Millionen bis zu einer Milliarde Kilometer Entfernung von Mars Express. Aus diesen Beobachtungen kann die Position eines Körpers im Sonnensystem bezüglich des jeweils anderen Körpers gewonnen werden, ohne dass die unvermeidlichen Orientierungsfehler der Kamera das Ergebnis beeinflussen. Damit gelingt es zusätzlich, die Positionsbestimmung der beiden Marsmonde wiederum zu verbessern.

Aus HRSC-Bilddaten naher Vorbeiflüge (Bild 3) wurden die oben genannten Figurenmodelle gewonnen. Hochaufgelöste Aufnahmen zeigen die Oberfläche von Phobos mit neun Metern pro Pixel. Die HRSC ist eigens dafür konzipiert worden, Daten für die Erstellung von digitalen Oberflächenmodellen während eines Vorbeiflugs zu gewinnen. Für Phobos sind viele Vorbeiflüge notwendig, um den kleinen Körper auch von allen Seiten aufzunehmen zu können, sodass nach und nach eine Rekonstruktion der gesamten Oberfläche des Mondes möglich ist. Mit den Aufnahmen vom Sommer 2017 haben die Wissenschaftler ein weiteres Puzzleteil zur Verfügung und können die Figurenmodelle weiter verfeinern. Solche räumlichen Modelle sind eine große Hilfe für die Beantwortung wissenschaftlicher Fragestellungen.

Marsmond Phobos mögliches Ziel für eine Landemission

So ist bis heute nicht eindeutig geklärt, wie die beiden Marsmonde entstanden sind. Zur Diskussion steht, ob Phobos und Deimos, wie der Erdmond, beispielsweise aus Trümmern eines großen Einschlags in der Frühzeit des Mutterplaneten entstanden sind und sich seither in dessen Umlaufbahn befinden, oder ob sie aus einer anderen Region des Sonnensystems (etwa aus dem Asteroidengürtel) stammen und von der Schwerkraft des Planeten eingefangen worden sind. Nicht zuletzt wegen dieser Fragestellung rückt Phobos auch als Ziel einer zukünftigen Mission für eine Landesonde in den Blickpunkt. Der Mond wäre wegen seiner gebundenen Rotation (er wendet Mars immer dieselbe Seite zu, da seine Rotationsperiode gleich seiner Umlaufzeit um den Planeten ist) ein ideales Ziel für einen permanenten "Beobachtungsposten" der Marsoberfläche. Bei der Auswahl einer Landestelle sind die HRSC-Geländemodelle eine wichtige Entscheidungsgrundlage.

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