Die Galileischen Monde
des Jupiters
 
 

Ende 1609 begann Galileio Galilei den Jupiter zu beobachten. Er verwendete dafür ein selbst konstruiertes Linsenfernrohr mit einer 20-fachen Vergrößerung. Im März 1610 veröffentlichte Galilei seine Beobachtung der vier Jupitermonde.

Die galileischen Monde haben eine wichtige Bedeutung in Astronomie, Physik und für das Weltbild. .

 
 
1. Widerlegung des Ptolemäischen Weltbilds:
Als Galilei die vier Monde 1610 entdeckte war man vom Ptolemäischen Weltbild überzeugt. Das bedeutet die Sonne umkreist die Erde, die das Zentrum der Welt war. Die Planeten waren an Kugelschalen (den Sphären) aufgehängt. Galilei beobachtete die Bewegung der Jupitermonde um den Planeten. Dabei mussten diese die Sphäre durchstoßen, also konnte das Ptolemäische Weltbild nicht zutreffen. Galilei befürwortete das kopernikanische Weltbild bei dem die Erde die Sonne umkreist.
Die Galileischen Monde kann man mit einem Feldstecher beobachten. Dabei sieht man, wie sie innerhalb von Stunden ihre Position verändern.
 
 

2. Erste Messung der Lichtgeschwindigkeit:
In Paris machte sich der dänische Astronom Ole Römer durch die erste Messung der Lichtgeschwindigkeit (1676) einen Namen. Er beobachtete die Bewegungen der Jupitermonde (Io-Verfinsterung) genau. Deren Umlaufzeiten waren schon durch Cassini (1625-1712) genau gemessen worden. Somit war es möglich, den genauen Zeitpunkt des Eintauchens der Monde in den Jupiterschatten zu berechnen und mit den Beobachtungen vergleichen. Die Beobachtungen der Zeiten von den Io Vefinsterungen (Eintauchen des Mondes in den Jupiterschatten) ließen vermuten, daß die Abweichungen der theoretisch berechneten Ereigniszeiten im Zusammenhang mit der unterschiedlichen Entfernung Erde - Jupiter zu tun hatten und dies mit einer entsprechnenden endlichen Lichtgeschwindigkeit erklärt werden könnte.
Im besten Fall ist er Unterschied der Wegstrecke des Lichts der Erdbahndurchmesser, das sind etwa 300 Millionen Kilometer. Realistischerweise kann Jupiter nicht zur Zeit seiner Konjunktion beobachtet werden. Deshalb liegt die Verzögerung des Ereignisses durch die typischen Entfernungsunterschiede von ca 100 Millionen Kilometern im Bereich von 5 - 6 Minuten.
Ole Römer´s Wert der Lichtgeschwindigkeit von ca. 200 000 km/sec lag überraschend nahe am heutigen Wert von 300 000 km/sec. Die Abweichung seiner Messungen liegen insbesondere an der schwierigen Ermittlung der Verfinsterungszeit (typisch 1 Minute).
 
  3. Synchronisation von Schiffschronometern
Für die Navigation der Schiffe, wo die Bestimmung des Standortes eine essentielle Grundlage ist, war vor der Einführung des Funkes (1913), des Omega-Systems (1968 bis 1997) und des GPS Systems (1990) eine genaue Uhrzeit für die Positionsbestimmung des Längengrades, welche mit Hilfe von Sextanten und der Zeit durchgeführt wurde,  notwendig.
Da alle bis auf die Atomuhr bestehenden Zeitbestimmungsmethoden auf der Erddrehung beruhen und somit der Beobachtungsort genau bekannt sein sollte, musste eine Methode gefunden werden, die Uhrzeit unabhängig von der Erdrehung zu bestimmen.
Dazu boten sich die Jupitermonde an, deren Eintritt in den Jupiterschatten selbst mit kleinen Teleskopen beobachtet werden konnte. Grundlage dazu schuf Cassini, der die Umlaufzeiten der Monde sehr genau bestimmte und Olaf Römer der die Feinkorrektur der Lichtlaufzeiten dazufügte. Die Navigatoren konnten auf Grund dieser Beobachtungen Ihre Uhren auf eine Genauigkeit von 1 – 2 Minuten synchronisieren, was zu einer Positionsbestimmung in der geographischen Länge mit einer Genauigkeit von 15 - 30 Seemeilen  ermöglichte.
 
  4. Zentrale Bedeutung in der Planetenforschung:
Durch die Erforschung Mondoberflächenunterschiede der Galileischen Monde.  
 
 

Die Monde

 
 

Die galileischen Monde heißen Io, Europa, Ganymed und Kallisto. Hier eine kurze Übersicht einiger ihrer Daten:            

 
 

Mond

Durchmesser (km)

Mittlerer Bahnradius (km)

Umlaufdauer (Tage)

Io

3.643

421.600

1,76

Europa

3.121

670.900

3,55

Ganymed

5.268

1.070.600

7,16

Kallisto

4.820

1.883.000

16,69

Erd-Mond

3.476

384.405

27,32

 
 
Das Bild zeigt die vier Trabanten im gleichen Größenverhältnis. In größeren Fernrohren (mit einer Öffnung von 8“) ist die unterschiedliche Scheibchengröße der Monde zu erkennen. Die Erde würde in diesem Verhältnis mit dem 2,5-fachen Durchmesser des größten Monds Ganymed erscheinen.
 
  Im Folgenden sind Daten und Messungen, die von Raumsonden gewonnen wurden, wiedergegeben. Die Erkundung durch Raumsonden begann in den Jahren 1973 und 1974 mit den Jupiter-Vorbeiflügen von Pioneer 10 und Pioneer 11. 1979 konnten Voyager 1 und Voyager 2 erstmals genauere Beobachtungen der Monde vornehmen. Der Großteil unseres Wissens über Ganymed stammt jedoch vom Galileo-Orbiter, welcher 1995 das Jupitersystem erreichte.
Die folgende Tabelle listet die Sonden auf, welche unter anderem Jupiter und seine Monde erforscht haben.
 
 

 

Pioneer 10

Pioneer 11

Voyager 1

Voyager 2

Galileio

Cassini

Start

3.3.1972

6.4.1973

5.9.1977

20.8.1977

18.10.1989

15.10.1997

Vorbeiflug

4.12.1973

3.12.1974

5.3.1979

9.7.1979

Ankunft
12.1995

30.12.2000

 

 

 

 

 

Verglüht
21.9.2003

 

 

 

 

 

 

Atmos
phären-
sonde

Atmos
phären-
sonde
Huygens

 
  Betrachten wir die Monde im Einzelnen. Beginnen wir mit dem innersten Mond.  
 

1. Io

Io, der innerste der vier großen Jupitermonde, ist der vulkanisch aktivste Himmelskörper des Sonnensystems. Der Vulkanismus wurde erstmals 1979 auf fotografischen Aufnahmen der Raumsonde Voyager 1 nachgewiesen, die seinerzeit großes Aufsehen erregten, da dies die erste Entdeckung von aktivem Vulkanismus auf einem anderen Himmelskörper als der Erde war.  

Es werden zwei unterschiedliche Prozesse zum Aufheizen des Mondes angenommen, die den Vulkanismus verursachen.
Zum Einen wird die Aufheizung durch den Gravitationseinfluß des Jupiters verursacht. Io wird im riesigen Schwerefeld des Jupiters regelrecht durchgewalkt und dadurch erwärmt.
Der Zweite Aufheizungsprozess wird durch magnetische Wechselwirkung hervorgerufen, durch die induzierte Ströme im Mond Io zu dessen Aufheizung beitragen.
Bei der gravitativen Wechselwirkung sind die Gezeitenkräfte, die Jupiter auf Io ausübt, mehr als 1000-mal stärker als die der Erde auf den Erdmond. Die zusätzlichen Gezeitenkräfte von Europa und Ganymed liegen noch immer in der Größenordnung der des Erde-Mond Systems.

 
Nur die Änderungen der Gravitationskräfte tragen zum Durchwalken von Io bei. Die elliptische Bahn von Io um Jupiter verursacht eine Abstandsänderung zwischen Jupiter und Io und hat somit eine Gravitationskraftänderung zur Folge.
Der größere Beitrag wird durch die Libration von Io geliefert, die durch die unterschiedliche Bahngeschwindigkeit auf Grund der Exzentrität verursacht wird. Voraussetzung zur Libration ist, dass Io eine gebundene Rotation besitzt, d.h. er rotiert mit der gleichen Periode wie er um Jupiter kreist und zeigt somit immer die gleiche Seite dem Jupiter (siehe Erdmond). Durch die Exzentrität, ist die Bahngeschwindigkeit nicht konstant und somit eilt Io´s Rotation dem Bahnpunkt der durch die mittlere Geschwindigkeit gegeben ist, voraus oder hinkt hinterher. Dadurch verschiebt sich die Seite, die dem Jupiter zugewandt ist, und damit auch die gravitativen Kräfte die auf die Mondoberfläche von Io wirken .
Dieser Einfluss ist ca. 10 mal größer als die Gravitationsvariation über den Abstand und somit 100 mal so groß wie die Variation durch den Mond – Erde Abstand in unserem Erd-Mondsystem.
 
  Die damit verbundenen Kraftvariationen führen zu periodisch wandernden Gezeitenbergen von bis zu etwa 300 Metern Höhe was zu einem entsprechendem Durchwalken und Erhitzen Io´s führt. Zum Vergleich betragen die entsprechenden Deformationen bei der Erdkruste lediglich 20 bis 30 Zentimeter.
Bei der zweiten Wechselwirkung, durch das Magnetfeld des Jupiters, ist Voraussetzung, dass Io´s Kern flüssig ist. Die heiße Materie ist zum Teil ionisiert und damit elektrisch geladen und deshalb kann das Magnetfeld des Jupiters, durch das sich Io bewegt, Strom induzieren, der den Mond zusätzlich aufheizt.  
 
 
Wenden wir uns nun Io´s Oberfläche zu.
Sie weist ein Albedo von 0,63 auf, dass heißt, es werden 63% des eingestrahlten Sonnenlichts werden reflektiert. Io scheint eine etwa 20 km dicke Schwefel- und Schwefeldioxid-Kruste zu besitzen.
Die markantesten Strukturen der Oberfläche sind hunderte vulkanische Calderen, die im Durchmesser bis zu 400 Kilometer groß und teilweise mehrere Kilometer tief sind. Außerdem ist auf Io der stärkste aktive Vulkan des Sonnensystems zu finden, mit dem Namen Loki Patera und einem Durchmesser von 226 km. Daneben gibt es auch zahlreiche Seen aus geschmolzenem Schwefel. Die Ablagerungen von Schwefel und seinen Verbindungen weisen ein breites Spektrum an Farbtönen auf, die dem Mond ein ungewöhnlich buntes Erscheinungsbild verleihen.
  Weiterhin erstrecken sich Lavaflüsse einer niedrigviskosen Flüssigkeit über mehrere hundert Kilometer hinweg.
Auswertungen der Voyagerdaten ließen vermuten, dass die Lavaflüsse überwiegend aus Schwefel- und Schwefelverbindungen zusammengesetzt sind.
Bei Eruptionen werden flüssiger Schwefel und Schwefeldioxid mit Geschwindigkeiten bis zu 1 km/s und Temperaturen von 1000 bis 1300 °C ausgestoßen, die aufgrund der geringen Schwerkraft bis in 300 Kilometer Höhe gelangen können. Die Materialien fallen zurück auf die Oberfläche und bilden mächtige Ablagerungen.
Io´s Atmosphäre besteht aus Schwefeldioxid und Sauerstoff mit einem Bodendruck von unter bar bar. (entsprechend dem Druck einer Vakuumanlage auf der Erde)  
 

2. Europa

Europa besitzt mit einer Albedo von 0,64 eine der hellsten Oberflächen aller bekannten Monde im Sonnensystem. Die Temperatur auf Europas Oberfläche beträgt nur 110 K (etwa –160 °C) am Äquator und 50 K (etwa –220 °C) an den Polen.
Europas auffälligstes Merkmal ist ein Netzwerk von kreuz und quer verlaufenden Gräben  und Furchen, Linea genannt, die die gesamte Oberfläche überziehen. Die Linea haben eine starke Ähnlichkeit mit Rissen und Verwerfungen auf irdischen Eisfeldern. Die größeren sind etwa 20 km breit und besitzen undeutliche äußere Ränder sowie einen inneren Bereich aus hellem Material. Die Linea könnten durch Kryovulkanismus (Kältevulkanismus) oder den Ausbruch von Geysiren aus warmem Wasser entstanden sein, wodurch die Eiskruste auseinander gedrückt wurde.
Die glatte Oberfläche und die Strukturen erinnern sehr stark an Eisfelder in Polarregionen auf der Erde. Es wird vermutet, dass sich unter Europas Kruste aus Wassereis ein Ozean aus flüssigem Wasser befindet, der durch der Wirkung von Gezeitenkräfte erwärmt wird. Bei den kalten Oberflächentemperaturen ist Wassereis hart wie Gestein. Die größten sichtbaren Krater wurden offensichtlich mit frischem Eis ausgefüllt und eingeebnet. Dieser Mechanismus sowie Berechnungen der durch die Gezeitenkräfte verursachten Erwärmung lassen darauf schließen, dass Europas Eiskruste etwa 10 bis 15 km stark ist. Der darunter liegende Ozean könnte eine Tiefe von bis zu 90 km aufweisen.

 

Der Mond gleicht in seinem Aufbau den terrestrischen (erdähnlichen) Planeten, da er wahrscheinlich überwiegend aus Silikatgestein aufgebaut ist. Seine äußere Schicht besteht aus Wasser mit einer geschätzten Mächtigkeit von 10 bis 15 km. Darüber hinaus dürfte er einen relativ kleinen Kern aus Eisen besitzen.

Aufnahmen des Hubble-Weltraumteleskop ergaben Hinweise auf das Vorhandensein einer extrem dünnen Atmosphäre aus Sauerstoff, mit einem Druck von bar bar (die besten Vakkumsanlagen können gerade dies erreichen). Es wird angenommen, dass der Sauerstoff durch die Einwirkung der Sonnenstrahlung auf die Eiskruste entsteht, wobei das Wassereis in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten wird. Der flüchtige Wasserstoff entweicht in den Weltraum, der massereichere Sauerstoff wird durch Europas Gravitation festgehalten.

 
 

3. Ganymed

Ganymed ist der größte Satellit im Sonnensystem. Er besitzt einen größeren Durchmesser als Merkur, aber nur die Hälfte dessen Masse. Ganymed ist deutlich größer als Pluto.
Ganymeds Albed beträgt 0,43, das heißt im Vergleich zu den Monden Io und Europa ist seine Oberfläche relativ dunkel. Die Oberflächentemperatur beträgt im Durchschnitt -160 °C.
Ganymeds Oberfläche besteht zu etwa gleichen Teilen aus zwei Typen: Zum Einen sehr alte, in hohem Maße durch Krater dunkel gefärbte Regionen, und etwas jüngeren hellere Regionen, die sich durch ausgedehnte Gebiete aus Gräben und Verwerfungen abheben
Nennenswerte Krater gibt es auf beiden Oberflächentypen nicht. Die Dichte der Krater läßt auf ein Alter der Oberfläche zwischen 3 und 3,5 Milliarden Jahren, also etwa wie die Mare beim Erdmond, schließen.

  Erste Anzeichen der Existenz einer Atmosphäre um den Jupitermond wurden bereits im Jahr 1972 bei der Bedeckung des Sterns SAO 186800 durch Ganymed gefunden. Der Druck in der extrem dünnen Atmosphäre wurde damals mit größer als 10-6 bar angegeben. Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop ergaben 1997 Hinweise auf das Vorhandensein einer extrem dünnen Atmosphäre aus Sauerstoff.
Ganymeds innerer Aufbau gliedert sich in drei Ebenen: Einen Kern aus geschmolzenem Eisen oder Schwefel/Eisen umgeben von einem Mantel aus Silikatgestein, der wiederum von einer vereisten Schale umgeben ist.
 
 

4. Kallisto

Sie hat im Vergleich zu den anderen Galileischen Monden eine sehr dunkle Oberfläche mit einer Albedo von 0,2, das heißt nur 20 % des eingestrahlten Sonnenlichts werden reflektiert. Die Oberflächentemperatur beträgt im Schnitt –139 Grad Celsius.
Zwei riesige Einschlagsbecken, umgeben von konzentrischen Ringwällen, sind die auffälligsten Strukturen auf Kallisto.
Die sichtbare Oberfläche liegt auf einer Eisschicht, die eine geschätzten Dicke von 200 km aufweist. Darunter befindet sich vermutlich ein 10 km tiefer Ozean aus flüssigem Salzwasser.
Das Innere Kallistos ist demnach vermutlich aus etwa 60 % silikatischem Gestein und 40 % Wassereis aufgebaut, wobei mit zunehmender Tiefe der Silikatanteil ansteigt. Ihre Masse beträgt trotz ihrer Größe nur knapp ein Drittel der Masse des Merkur und ist etwa 30 % größer als die Masse des Erdmondes.
Aktuelle Beobachtungen weisen darauf hin, dass Kallisto eine äußerst dünne Atmosphäre aus Kohlendioxid besitzt.

 

Informationen über Jupiter hier.
Bewegung der Monde

etztes Update 1.5.2016