Giotto

Giotto wurde am 2.Juli 1985 vom Raumfahrtzentrum Kourou in Französisch Guyana gestartet und hatte zum Ziel sehr nahe am Kern des Kometen P/Halley vorbeizufliegen und direkte Messungen in der Umgebung des Kometen zu machen. Parallel zur Giotto-Mission flogen noch vier andere Raumfahrzeuge (Suisei, Sakegake aus Japan; Vega-1, Vega-2 aus der ehemaligen Sowjet-Union) an dem Kometen vorbei. Die wichtigsten Ziele der Giotto-Mission waren die Untersuchungen der Wechselwirkung des Sonnenwindes mit der Koma des Kometen, die Bestimmung der Zusammensetzung der flüchtigen Komponenten der Koma und der Staubteilchen, die Messung der Gasproduktionsraten und Teilchenflüsse, die Charakerisierung der physikalischen und chemischen Prozesse, die in der kometaren Ionosphäre und Atmosphäre auftreten, sowie die ersten Kameraaufnahmen eines Kometenkerns.

1. Giottos Historie
2. Raumsondenkonstruktion
3. Wissenschaftliche Nutzlast
4. Giotto-Magnetometer (MAG)
5. Giotto Radio Science Experiment (GRE)
6. Vorbeiflug an Halley
7. Vorbeiflug an Grigg Skjellerup
8. Ergebnisse

Giottos Historie

Giotto wurde am 2. Juli 1985 mit einer Ariane-1 Rakete, die in Kourou, Französisch Guyana gestartet wurde, auf seine ekliptikale heliozentrische Umlaufbahn gebracht. Das primäre Ziel der Mission war der Vorbeiflug am Kometen P/Halley am 13./14. März 1986.

Nach dem Vorbeiflug wurden alle Systeme Giotto's bis auf den Radioempfänger abgeschaltet (sogenannter Winterschlaf). Am 19. Februar 1990 wurde Giotto reaktiviert und alle Systeme überprüft. Es stellt sich heraus, daß Giotto immer noch in einem guten Zustand war, auch nach den 4 inaktiven Jahren. Es folgte eine Vorbeiflug an der Erde am 2. Juli 1990 in einem Abstand von 22.700 km, der erste Erd Swing-by einer interplanetaren Raumsonde überhaupt. Dabei wurde die Flugbahn Giotto's gezielt geändert, so daß ein Vorbeiflug an einem zweiten Kometen möglich wurde. Als Zielkomet wurde P/Grigg-Skjellerup ausgewählt.

Im Jahre 1992 wurde Giotto dann ein zweitesmal für den Vorbeiflug am Kometen P/Grigg-Skjellerup reaktiviert, der am 10. Juli 1992 stattfand. Nach dem Vorbeiflug wurde Giotto erneut ``eingeschläfert'' mit dem Ziel einen möglichen weiteren Vorbeiflug im Jahre 1999 an der Erde machen zu können, falls genügend Treibstoff an Bord und finanzielle Unterstützung am Boden vorhanden sein sollten.

Raumsondenkonstruktion

Das Bild rechts zeigt das Innere des zylindrischen Körper Giotto's ohne den Sonnenzellenarray, der auf der Zylinderwand aufgebracht ist und in diesem Bild entfernt wurde. Der Durchmesser beträgt ca. 2 Meter. Am unteren Ende des Zylinders befindet sich ein Schutzschild, das die Raumsonde gegen die Einschläge kometarer Staubteilchen schützen soll. Am oberen Ende befindet sich die Hochleistungsantenne (HGA). Die Antennenhörner sind an der Spitze des Dreibeins montiert. Das Magnetfeldexperiment MAG ist ebenfalls an einem der Beine befestigt. Zur eigenen Lagestabilisierung rotiert die Raumsonde mit 15 Umdrehungen pro Minute (oder einer Periode von vier Sekunden) um die eigene Längsachse. Damit die Kommunikation mit der Erde nicht abbricht, muss deshalb die HGA ebenfalls rotiren, allerdings in die entgegengesetzte Richtung.

Wissenschaftliche Nutzlast

Die wissenschaftliche Nutzlast der Raumsonde besteht aus einer Kamera (HMC) für die Beobachtung des Kometenkerns und der inneren Koma, Massenspektrometern zur Analyse der Neutralteilchen (NMS), der Ionen (IMS) und der Staubteilchen (PIA), einem Staubteilchendetektoren (DID), einem Photopolarimeter (OPE) für die Messung der Helligkeit der Koma, weiteren Plasmainstrumenten (JPA, RPA, EPA), einem Magnetometer (MAG) zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen dem Sonnenwindplasma und der Ionosphäre des Kometen sowie ein Radiosondierungsexperiment (GRE) zur Bestimmung der Abbremsung der Raumsonde in der Kometenkoma.

Giotto-Magnetometer (MAG)

Der Principal Investigator (PI) dieses Instrumentes ist Prof. F.M. Neubauer. Die Organisation, Planung und Datenbearbeitung wurde in großem Umfang in Köln ausgeführt.

Das Giotto MAG besteht aus 2 Fluxgate-Magnetometern, die beide an Giottos Antennen-Dreifuß befestigt sind. Das triaxiale Ringkern-Magnetometer mit drei orhtogomalen Sensoren ist das primäre, das weiter außen montiert ist, als das biaxiale mit einem Kern und 2 Spulen. Das primäre Magnetometer mißt während der ganzen Vorbeiflüge mit einer konstanten Rate von 28.24 Vektoren pro Sekunde. Die Daten wurden in einem Meßbereich von ±256 nT für jede Komponente aufgezeichnet mit einer digitalen Unsicherheit von ±0.063 nT.

Da Giotto ein Schutzschild gegen Staubteilcheneinschläge besitzt, konnten die Magnetometer nicht wie sonst üblich an einem Boom befestigt werden. Deshalb war es notwendig, ein spezielles Programm für magnetische Reinheit durchzuführen.

Giotto Radio Science Experiment (GRE)

Ein Radiosondierungsexperiment (oder neudeutsch Radio Science) benutzt für seine Messungen das Radiofunksystem der Raumsonde. In der Bodenstation auf der Erde werden die Radiosignale der Raumsonde empfangen. Die Frequenz der Radioträgerwelle, die von Giotto im X-Band (8,4 GHz) gesendet wird, wird proportional der relativen Geschwindigkeit zwischen der Erde und der Raumsonde verschoben (klassischer Doppler Effekt). Da sich Giotto während des Vorbeifluges relativ von uns entfernte, wurde eine kleinere Frequenz empfangen als von Giotto gesendet wurde (Rotverschiebung). Beim Durchflug durch die Kometenkoma prallten kometares Gas und Staubteilchen mit sehr hoher Geschwindigkeit auf das Schutzschild der Raumsonde und bremsten diese ab. Dies führte zu einer Erhöhung der Frequenz (Blauverschiebung), die proportional zu der Gesamtmasse von Gas und Staub ist, die auf die Raumsonde geprallt ist.

Vorbeiflug an Halley

Der Komet Halley bewegt sich längs eines hochexzentrischen retrograden Orbits mit einer Periode von 72 Jahren um die Sonne. Seine Bahnebene ist um 18° gegen die Ekliptik geneigt. Um mit einem akzeptablen Energieaufwand an dem Kometen vorbeifliegen zu können, kam als Ort des Vorbeifluges nur der Durchstoßpunkt der Halleybahn mit der Ekliptik in Frage. Am 14. März 1986 um 00:03 SCET (SpaceCraft Event Time = 00:11 UT Weltzeit) war der Zeitpunkt der kleinsten Annäherung von Giotto an den Kometen mit einem Abstand von ca. 600 km auf den sonnenzugewandten Seite. Zu diesem Zeitpunkt hatte Halley einen Abstand von 1.35·10⁸ km (0.89 AE) zur Sonne. Der Winkel zwischen der Flugbahn und der Sonne-Kometen-Verbindugnslinie betrug 107.2° . Die Vorbeiflugsgeschwindigkeit im kometaren Bezugssystem betrug 68.373 km/s.

Ca. 15 Sekunden vor der kleinsten Annäherung (closest approach c.a.) begann die Raumsonde leicht zu nutieren (torkeln). Um -7.5 Sekunden wurde von einer Radioverstärkerröhre auf die andere Ersatzröhre umgeschaltet. Kurz danach ging das Trägersignal verloren (``black-out''), konnte aber +22 Sekunden nach c.a. wieder empfangen werden, allerdings mit sehr großen Schwankungen aufgrund einer Nutation, die einen Datenempfang auf dem Boden nicht erlaubten. Der Grund war der Einschlag eines sehr großen Staubteilchens in der Black-out Phase, welches die Raumsonde zur Nutation anregte. Erst 22 Minuten nach dem Vorbeiflug war die Nutation abgebaut worden und Datenempfang wieder möglich. Grosse Staubteilchen haben Material von der Raumsonde abgeschlagen, darunter den Tubus der Kamera, was zu einem Ungleichgewicht in der Massenverteilung der Raumsonde führte. Eine elektrische Entladung ca. 9 Sekunden vor c.a. beschädigte oder zerstörte alle Hochspannungsexperimente. Das Kontrollsystem für den Antennenmotor wurde ebenfalls beeinträchtigt mit der Folge, daß eine falsche Drehrate an den Motor übermittelt wurde und damit die Antenne von der Erdrichtung wegdrehte und das Trägersignal verloren ging.

Vorbeiflug an Grigg Skjellerup

Am 10. Juli 1992 um 15:30 UT war der Zeitpunkt der kleinsten Annäherung an den Kern des Kometen P/Grigg-Skjellerup in einem Abstand von ca. 200 km. Zu diesem Zeitpunkt hatte Giotto einen Abstand von 1.5·10⁸km zur Sonne und 2.14·10⁸ km zur Erde. Ein großes Problem während dieses Vorbeifluges war die elektrische Leistung zur Versorgung der Experimente. Damit die Sonnenzellen ihre höchste Wirkung erzielen konnten, mußte die Raumsonde optimal zur Sonne hin orientiert werden. Dies führte dazu, daß nun das Schutzschild nicht mehr in Flugrichtung zeigte, sondern einen Winkel von 69° mit der Flugrichtung einnahm. Damit schlugen Staubteilchen jetzt nicht nur auf das Schutzschild auf, sondern auf den gesamten Raumsondenkörper, einschließlich Sonnenzellenarray und Antenne. Wegen Leistungsgründen konnten während des Vorbeifluges nur 8 der ursprünglich 11 Experimente eingeschaltet werden.

Ergebnisse

Hier werden hauptsächlich Ergebnisse dargestellt, die unter Mitwirkung von Personen dieses Institutes entstanden sind.

Giotto Magnetometer (MAG)

Ähnlich wie in der Magnetosphäre der Erde wechselwirkt die Koma des Kometen mit dem Sonnenwind. Dabei kommt analog es zur Ausbildung verschiedener Regionen. Das Giotto Magnetometer (MAG) liefert beim Halleyvorbeiflug erstmalig Magnetfeldmessungen von allen wichtigen Region in dieser Wechselwirkungszone. Kometare Wellen sind bis in Abstände von mehr als 2·10⁶ km von Halley und 6·10⁵ km von Grigg-Skjellerup beobachtet worden. Während des Anfluges wurde die kometare Bugstoßwelle in einem Abstand von 1.15·10⁶ km bei Halley und bei 1.8·10⁴ km für Grigg-Skjellerup beobachtet und weiter drinnen die turbulente Magnetosheath. Eine magnetische Pile-up Region wurde beim Anflug an Halley bei 1.35·10⁵km und beim Rausflug bei 2.63·10⁵ km identifiziert mit Feldern von bis zu 57 bzw. 67 nT. Eine Cavity mit nahezu keinem Magnetfeld wurde über 8,500 km längs der Vorbeiflugsbahn an Halley beobachtet. Bei Grigg-Skjellerup wurde diese nicht durchflogen. Dieses liegt an den unterschiedlichen Längenskalen für die beiden Kometen, die durch unterschiedliche Produktionsraten und Sonnenwindbedingungnen ergeben.

Bei Annäherung des Kometen an die Sonne, wird das flüchtige Material von der Oberfläche sublimiert und driftet mit seiner thermischen Geschwindigleit vom Kometenkern weg. Der wichtigste plasmaphysikalische Prozeß ist die Ionisation der neutralen Teilchen durch Photoionisation oder durch Ladungsaustausch mit den Sonnenwindionen, was zum Teil erst in Abständen von 10⁶km geschieht. Die Hauptbestandteile der Koma sind Wassergruppenteilchen (O⁺,OH⁺,H₂O⁺,H₃O⁺), die nur durch die elektrischen und magnetischen Kräfte des Sonnenwindes aufgesammelt werden. Stöße sind aufgrund der geringen Dichte der Teilchen bei Abständen von mehr als 1000 km vernachlässigbar. Man spricht hier von einem stoßfreien Plasma. Dieser Pick-up Prozess führt zur Bildung eines Ringstrahles im Geschwindigkeitsraum. Diese Verteilung ist instabil, so daß es zur Anregung von Wellen kommt insbesondere bei Frequenzen nahe der Gyrofrequenz der Wassergruppenionen.

Insgesamt lassen sich Region mit unterschiedlichen Eigenschaften in den Fluktuationen beobachten. Dominiert wird die induzierte Magnetosphäre von starken hydromagnetischen Wellen. Diese können entweder turbulent sein oder es handelt sich um starke bzw. schwache Fluktuationen. Insbesondere in den Regionen mit starken Fluktuationen sind quasi-kohärente Wellenzüge beobachtet worden. Diese meist großamplitudigen, nicht-linearen Wellen haben unterschiedliche Formen und sind z.T. aufgesteilte. Die Spektren des Magnetfeldes werden für Frequenzen oberhalb der Gyrofrequenz der Wassergruppenionen durch ein Leistungsspektrum f^-alpha mit alpha = 1.8 - 2.2 beschrieben.

Es hat sich gezeigt, daß bei Halley und auch bei Giacobini-Zinner diese Wellen im Anströmbereich des Kometen rechtshändig polarisiert sind, während bei Grigg-Skjellerup überwiegend linkshändig polarisierte beobachtet wurden. Dieses liegt daran, daß bei Grigg-Skjellerup die alfvénische Machzahl M_Ar parallel zum Hintergrundmagnetfeld meistens kleiner als 1 war und nicht wie bei den anderen beiden Kometen größer als 1.25. M_Ar hat sich als die entscheidende Größe für die Anregung von links- oder rechtspolarisierten Wellen herausgestellt. Allerdings wird die durch die sich änderende Verteilung der Ionen freigesetzte Energie nicht sofort in Wellenenergie umgewandelt, so daß nicht ausschließlich die lokalen Plasmabedingungen Einfluß auf die angeregte Wellenmode haben.

Die kometaren Ionen unterliegen der Pitchwinkelstreuung. Dadurch kann die Lage der spektralen Signaturen in der Frequenz zu Werten verschieden von der lokalen Gyrofrequenz verschoben werden, da nicht nur die neu injizierten, sondern auch die gestreuten zur Verteilungsfunktion beitragen. Deshalb wurde eine andere Methode der Spektralanalyse durchgeführt, die die im Betrag des Magnetfeldes vorhandenen Variation berücksichtigt. Dadurch wird verhindert, daß die Variationen des Magnetfeldbetrages den Beitrag der Gyrofrequenzsignale in Spektrum verschmieren.

Innerhalb der Pile-up Region des Kometen Halley wurden Fastmode Wellen beobachtet, bei denen die Elektronendichte und das Magnetfeld korreliert sind, während in den Regionen davor und danach Mirrormoden angeregt sind. Diese Instabilität wird durch die anisotrope Druckverteilung getrieben.

Staubeinschläge auf der Raumsonde lassen sich auch mit dem MAG in Kombination mit einem Plasmainstrument (JPA) am Kometen Halley in der inneren Pile-up Region bei Abständen kleiner als 20,500 km vom Kern nachweisen. Der Einschlag erzeugt eine kleine Plasmawolke, die eine Störung des Magnetfeldes bewirkt, die beobachtet werden kann.

Während des Vorbeifluges von Giotto an Halley befand sich das interplanetare Magnetfeld in einem sehr stabilen Zustand und zeigte von der Sonne weg. Das Drappieren der Magnetfeldlinien um den Kometen ist entlang der wegführenden Trajektorie und nahe um den Kometen zu beobachten. Innerhalb der Pile-up Region dreht sich die Polarität des Magnetfeldes mehrmals um. Die Symmetrie von entgegengesetzt polarisierten magnetischen Schichten kann durch mitkonventieren Strukturen des interplanetaren Magnetfeldes erklärt werden. Die Feldumkehrungen werden in der Pile-up Region nicht durch diffusive Effekte oder Feldlinienverschmelzungen zerstört.

Giotto Radio Science Experiment (GRE)
Halley Vorbeiflug:
Beim Durchflug durch die Kometenkoma wurde die Raumsonde nicht kontinuierlich sondern in vier distinkten Schritten abgebremst, welche als Durchflüge durch Staub- und Gasjets interpretiert werden. Die Geschwindigkeitsänderung entlang der Trajektorie betrug -23,05 cm/s. Dies ist zu vergleichen mit der relativen Vorbeiflugsgeschwindigkeit von 68 km/s. Die effektive Gesamtmasse an Staub, die auf die Raumsonde geprallt ist, wurde zu 1932 mg errechnet. Einschläge großer Staubteilchen (10 mg - 400 mg) verursachten eine Nutation mit einer Amplitude von 1 Grad, die durch Nutationsdämpfer innerhalb 30 Minuten abgebaut wurde. Die Nutation führte zu starken Schwankungen in der Empfangsstärke des Radiosignals, so daß für einige Minuten die Telemetrie nur unterbrechend empfangen werden konnte.

Grigg-Skjellerup Vorbeiflug:
Da das Schutzschild einen Winkel von 69° mit der Flugrichtung einnahm, konnten nun Staubteilchen auf den gesamten Raumsondenkörper einschlagen. Da Grigg-Skjellerup ein kleiner und relativ inaktiver Komet ist, wurde allerdings auch keine große Anzahl von Staubteilchen und damit nur eine geringe Abbremsung erwartet. Die gemessene Abbremsung wurde dann zu 1 mm/s bestimmt (zu vergleichen mit der relativen Vorbeiflugsgeschwindigkeit von 14 km/s). Dies entspricht einer effektiven Gesamtmasse von ca. 40 mg. Auch bei diesem Vorbeiflug wurde eine leichte Nutation und eine Spinratenänderung erzeugt. Diese dynamischen Änderungen lassen sich nur erklären, wenn ein großes Staubteilchen mit 39 mg Masse auf das obere Ende des Sonnenzellenarrays geprallt ist.

Autor: Anne Söding, M. Pätzold