Die Voyager-Mission

1972 und 1973 starteten die Raumsonden Pioneer 10 und Pioneer 11 ins All, um die Riesenplaneten Jupiter und Saturn zu erkunden. Zur damaligen Philosophie der NASA gehörte es, solche Unternehmungen gleich im Doppelpack zu planen. So konnte z. B. bei Totalausfall einer Sonde oder auch nur eines der Messinstrumente die Wahrscheinlichkeit erhöht werden, noch die erwünschten Daten zu erhalten. Im Dezember 1973 erreichte Pioneer 10 den Jupiter, etwa ein Jahr später Pioneer 11.

1997 verließ Pioneer 10 mit einer Fluggeschwindigkeit von 54 000 km/h als erstes menschliches Artefakt unser Planetensystem. Die Sonde übermittelte noch Daten über die Zusammensetzung von interstellarem Gas außerhalb der Einflusssphäre der Sonne, bevor der Kontakt am 22. Januar 2003 endgültig abbrach. Die letzten technischen Daten von Pioneer 11 erhielten die Wissenschaftler 1995. Im November 2024 befand sich die Sonde ca. 113, 57 Astronomische Einheiten (AE = Entfernung Erde-Sonne) oder 16,99 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt, Pioneer 10 schon 137,28 AE, was 20,54 Milliarden Kilometern entspricht.

Keine der beiden Pioneer-Sonden wird in Zukunft einem Stern näher als 0,6 Lichtjahre kommen. Der engste Vorbeiflug wird Pioneer 11 wohl in 920 000 Jahren an einem Zwergstern namens TYC 992-192-1 gelingen. In vier Millionen Jahren wird die Sonde in der Nähe des Sterns Lambda Aquilae vorbeiziehen. Pioneer 10 wird in zwei Millionen Jahren Aldebaran im Sternbild Stier erreichen. Möglicherweise werden die zwei Raumsonden sogar noch Jahrmilliarden im Weltall weiter umherirren. Beide haben eine 15×22,5 cm große, mit Gold anodisierte Aluminiumplatte dabei, die eine kosmische Grußbotschaft der Erdenbewohner für außerirdische Zivilisationen enthält. Sie zeigt einen Mann und eine Frau, unser Sonnensystem und weitere Symbole.

2006 wurde eine Raumsonde namens New Horizon hinterher geschickt. Sie sollte die „Pioneer-Anomalie“ klären, unerklärliche Bahnabweichungen von Pioneer 10 und 11. Ihre Energieversorgung wird wohl bis 2035 oder länger reichen, so dass die Sonde noch in einer Entfernung von 90 AE funktionsfähig wäre. Dies könnte genügen, um den Terminationsschock (s. u.) zu erreichen, bei dem der Einflussbereich des Sonnenwindes endet.

Der Start von Voyager

Einmal alle 176 Jahre stehen die Planeten gerade so günstig, dass eine Raumsonde durch Swing-by-Manöver in Rekordzeit von einem Planeten des Sonnensystems zum nächsten befördert werden kann. Bei einem Swing-by-Manöver dringt eine Sonde gezielt in das Gravitationsfeld eines Planeten ein, um dadurch Schwung zu holen (oder abzubremsen) und die Flugrichtung zu verändern. Dabei kann Treibstoff eingespart werden. Zufällig stand diese vielversprechende Anordnung 1977 kurz bevor. Die US-Weltraumbehörde nutzte die Planeten-Konstellation, um die identischen Raumsonden Voyager 1 und Voyager 2 mit einer TitanIIIE-Centaur-Rakete ins All zu befördern. Sie sollten die äußeren Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun erkunden und möglichst viele Daten über sie zur Erde senden.

Die Raumsonde Voyager 1 wurde im Sommer 1977 (5. September) kurz nach ihrer Schwestersonde Voyager 2 (20. August) gestartet. An Bord jeder Sonde befindet sich in einem Aluminiumbehälter eine Audio- und Bildplatte: die Voyager Golden Record. Die vergoldeten Datenträger dürften unter Weltraumbedingungen schätzungsweise bis zu einer Milliarde Jahren durchhalten. Sie enthalten verschlüsselt einen guten Teil unseres wissenschaftlichen Wissens und Bilder und Töne, die einen Eindruck von der Welt vermitteln sollen, aus der sie stammen. So ist neben dem Zirpen von Grillen, Walgesängen und dem Geräusch fallenden Regens klassische und traditionelle Musik sowie Rock’n Roll darauf. Daneben enthalten die Platten gesprochene Grußbotschaften in 55 Sprachen sowie Ansprachen des damaligen UNO-Generalsekretärs Kurt Waldheim und des damaligen US-Präsidenten Jimmy Carter.

Carter: „Wir senden diese Botschaft in den Kosmos. Wir wünschen uns eines Tages, nachdem wir unsere Probleme gelöst haben, einer Gemeinschaft galaktischer Zivilisationen beizutreten. Diese Schallplatte steht für unsere Hoffnung, unsere Entschlossenheit und unseren guten Willen inmitten eines unermesslichen, Ehrfurcht gebietenden Universums.“

Die „Späher“ flogen auf unterschiedlichen Bahnen: Voyager 1 flog zudem mit 60 800 km/h schneller als Voyager 2 (56 000 km/h). So wurde Letzterer schon nach vier Monaten von Voyager 1 überholt. 1979 erreichten beide Sonden in einem Abstand von fünf Monaten den Jupiter und sammelten Daten über den größten Planeten unseres Sonnensystems. Sie nutzten den Vorbeiflug, um in seinem Gravitationsfeld weiter zu beschleunigen und sausten nach dem Swing-by Ende 1980 bzw. 1981 an Saturn vorbei. Von da an trennten sich ihre Wege. Für Voyager 1 wäre nach der Begegnung mit dem Ringplaneten zwar noch ein Vorbeiflug an Pluto möglich gewesen, aber stattdessen entschieden sich die Wissenschaftler, den größten Mond Saturns, Titan, anzusteuern und zu erkunden. Danach verließ die Sonde in einem Winkel von 35° die Ekliptik (der Bahnebene des Planetensystems) und strebte dem Rand der Heliosphäre – der vom Sonnenwind verursachten Blase um unser Sonnensystem – zu.

Mit Voyager 2 wollten die Planer die seltene Planetenkonstellation besonders effizient ausnutzen und nach Jupiter und Saturn auch die weiter entfernten Gasplaneten Uranus und Neptun besuchen, um Weiteres über sie zu erfahren. Die Sonde gewann bei ihren Swing-by-Manövern Geschwindigkeiten relativ zur Sonne von rund 10 km/s an Jupiter, 4 km/s an Saturn und 2 km/s an Uranus. Am Neptun (den Voyager 2 nach über 12 Jahren erreichte) wurde es allerdings nötig, um 3 km/s abzubremsen, um noch den Mond Triton besuchen zu können. Danach war ihre Aufgabe erfüllt. Unter dem Strich blieben noch etwa 15 km/s Geschwindigkeit übrig – mehr als genug, um die dortige Fluchtgeschwindigkeit des Sonnensystems von etwa 7 km/s zu überwinden.

An der Grenze des Sonnensystems

Beide Sonden hatten 1989 Pioneer 10 überholt und 1999 bereits mehr als 60 Milliarden Kilometer zurückgelegt. Voyager 1 erreichte am 16. Dezember 2004 in der 122-fachen Distanz Erde-Sonne (AE) den Terminationsschock, wo der Sonnenwind auf das interstellare Medium trifft. Hier wird der Sonnenwind aufgrund der mitgeführten Magnetfelder abrupt abgebremst und erhitzt (daher der Name!). Die folgenden acht Jahre reiste Voyager 1 durch einen etwa 30 AE breiten Zwischenbereich, in dem interstellare und solare Felder und Teilchen miteinander wechselwirken.

Voyager 2 kreuzte den Terminationsschock 2007 bei etwa 84 AE an einer der Flanken der Heliosphäre, die an dieser Stelle eine wellenförmige Oberfläche oder eine vergleichbare Art von Substruktur hat. 2012 verließ Voyager 1 endgültig den Einflussbereich des Sonnenwinds, 2018 auch Voyager 2 (rund 18 Milliarden Kilometer oder 119 AE von uns entfernt). Die Durchstoßpunkte der beiden Sonden waren 160 AE voneinander entfernt. Als Indizien für das Verlassen der Heliosphäre stellte man den Anstieg der Kosmischen Strahlung, den Abfall des Sonnenwinds und ein kälteres und dichteres Plasma fest. Die Passage geschah bei Voyager 2 in nicht einmal einem Tag (entspricht einer Flugstrecke von 700 000 Kilometern).

Die Heliopause, die äußere Grenze der Heliosphäre, sollte an der Bugwelle in Bewegungsrichtung anders aussehen (weniger porös) als seitlich oder hinten. Als Voyager 1 die Heliopause (am Bug) durchquerte, stieg die erwartete sprunghafte Veränderung in der Plasmadichte um das 80-fache. Die Übergangsregion erwies sich als turbulent , aber es gab keine Anzeichen für eine veränderte Ausrichtung des umgebenden Magnetfelds. (Womöglich koppeln sich einige magnetische Feldlinien an solche aus der galaktischen Umgebung, wodurch sich beide angleichen). Das Magnetfeld der Sonne löst sich weiter draußen nach und nach auf.

Bei Voyager 2 war der Plasmastrom eher dünn (die Dichte stieg nur um 20%) und stabil. Dafür wies ihr magnetischer Sensor eine Magnetfeldbarriere nach, die zusätzlich gegen kosmische Strahlung abschirmt. Außerdem registrierten die Messinstrumente der Sonde eine Region zwischen der Heliopause und dem interstellaren Raum, in dem einige Teilchen der Heliosphäre in das interstellare Medium gelangen können. Hingegen war Voyager 1 vor der Grenze auf sonderbare Magnetfeldröhren gestoßen, die kosmische Strahlung ins Sonnensystem eindringen lassen. Möglicherweise haben diese Unterschiede mit der Aktivität der Sonne zu tun.

Ende 2016 befand sich Voyager 1 in einer Distanz von fast 140 AE von uns und entfernt sich immer weiter mit einer Geschwindigkeit von 3,6 AE pro Jahr. Die weite Reise hat den Instrumenten an Bord im Laufe der Jahrzehnte arg zugesetzt: Es zeigten sich erste Alterserscheinungen. Die Isotopenbatterien (Radionuklidbatterien), die Energie (Strom) aus der Zerfallswärme radioaktiver Elemente (Plutonium) erzeugen, wurden langsam schwächer. Es blieb nichts anderes übrig, als einige Instrumente an Bord (nicht essentielle Systeme) 2019 abzuschalten. Aus diesem Grund lieferten die Sonden in den letzten Jahren weniger Daten.

Manche Forscher glauben, die Voyager-Sonden, hätten die Heliosphäre aber noch immer nicht hinter sich. Die meisten finden jedoch den gemessenen drastischen Anstieg der galaktischen kosmischen Strahlung und der Plasmadichte überzeugend genug. Es scheint aber sehr schwierig, die genaue Grenze zum interstellaren Raum festzustellen. Sie ist tief zerfurcht mit enormen Einbuchtungen und bewegt sich wohl entsprechend dem 11-jährigen Aktivitätszyklus der Sonne. So variiert sie zeitlich und räumlich und kann nach neueren Erkenntnissen zwischen 120 und 200 AE liegen.

Im interstellaren Raum

Voyager 2 und Voyager 1 sollten aber heute das Sonnensystem tatsächlich endgültig verlassen haben. Im interstellaren Raum stellten ihre Messinstrumente eine Magnetfeldstärke von 5 bis 6 Mikrogauß fest. Voyager 1 registrierte ein sehr schwaches, andauerndes Grundrauschen, das in einem engen Frequenzbereich stattfindet. Ursache sind Wellen des interstellaren Plasmas, die aus Verschiebungen zwischen den positiv geladenen Ionen und den negativ geladenen Elektronen bestehen. Trotz dieser Verschiebung neigt das Plasma dazu, an Ort und Stelle zu bleiben.

Voyager 1 hat bis heute unvorstellbare 25 Milliarden Kilometer oder die 160-fache Distanz der Erde von der Sonne zurückgelegt. Jedes Signal von der Erde braucht gegenwärtig bis zur Sonde fast 23 Stunden, bis zu Voyager 2 rund 19 Stunden. Jeden Tag entfernen sich die Sonden um weitere drei bis vier Lichtsekunden. Bei einer Geschwindigkeit von etwa 15 km/s legen sie pro Jahr drei Astronomische Einheiten zurück. Ihre einzige Verbindung zur Erde ist das Deep Space Network der NASA. Das sind drei Antennenkomplexe, die rund um den Globus verteilt sind.

Bei Voyager 2 funktionieren noch fünf wissenschaftliche Instrumente, bei Voyager 1 vier. Die fünf wissenschaftlichen Instrumente an Bord sind ein Magnetfeldsensor, zwei Geräte zum Nachweis von Partikeln in verschiedenen Energiebereichen und zwei Instrumente zum Studium von Plasma. Obwohl es immer wieder unerwartete technische Störungen und Pannen gibt – so schaltete Voyager vor Kurzem einen ihrer beiden Funksender ab, bis nach einem halben Jahr wieder eine stabile Verbindung hergestellt wurde -, erweisen sich die Sonden als erstaunlich robust. Wenn alles gut läuft, kann die Mission vielleicht sogar bis in die 2030er Jahre verlängert werden. Alles hängt von der Stromversorgung ab. Der limitierende Faktor ist die Leistung der Isotopen-Batterien, die um etwa vier Watt pro Jahr abnimmt. Aber dass die vier Instrumente nach 47 Jahren überhaupt noch laufen, grenzt an ein Wunder.

Gelegentlich wird auch angemerkt, dass Voyager 1 und 2 eigentlich auf absehbare Zeit gar nicht den Einfluss des Sonnensystems verlassen, sondern nur dessen Atmosphäre aus geladenen Partikeln, gewissermaßen den chemischen und nicht den gravitationsbedingten Teil unserer Sonnensystems. Denn selbst die Oortsche Wolke, eine kugelschalenförmige Ansammlung von kometenähnlichen Körpern in einer Distanz bis zu 100 000 AE bzw. rund 1,5 Lichtjahren, ist schwach an unsere Sonne gebunden. Die Voyagersonden werden ihren inneren Rand frühestens in 300 Jahren erreichen.

Bis auch die Schwerkraft unserer Sonne für sie keine wesentliche Rolle mehr spielt, dauert es noch mehrere tausend Jahre. Voraussichtlich in rund 40 000 Jahren werden die Sonden an anderen Sternen in einem Abstand von weniger als zwei Lichtjahren vorbeifliegen: Voyager 1 am Roten Zwerg Gliese 445 (er wird zu diesem Zeitpunkt nur noch 3,45 Lichtjahre von der Sonne entfernt sein, da er sich mit hoher Geschwindigkeit auf uns zubewegt) und Voyager 2 an dem unscheinbaren Roten Zwergstern Ross 248 im Sternbild Andromeda (in 42 000 Jahren) – und zwar in 1,73 Lichtjahren Abstand. (Er ist jetzt rund 10,5 Lichtjahre entfernt.) Ob dort Planeten existieren, ist ungewiss.

Die Reise der Sonden ist also lange noch nicht zu Ende. Die Voyager-Sonden haben wegweisende Erkenntnisse gebracht und bieten den Wissenschaftlern immer noch einen wertvollen Einblick in den interstellaren Raum. Bedauerlicherweise sind derzeit keine konkreten Pläne für eine neue interstellare Mission bekannt. 2030 steht Jupiter eine Zeitlang günstig für ein Swing-by-Manöver ins äußere Sonnensystem. Danach wird es wieder zwei Generationen dauern, bis eine günstige Fluggelegenheit dorthin besteht.

Perspektiven

Gewiss könnten im Prinzip unbemannte Raumfahrzeuge künftig ferne Sonnensysteme inspizieren, aber wegen der enormen Entfernungen würden Jahrtausende bis zur Rückmeldung vergehen. Höchstwahrscheinlich entstehen in Zukunft neue und bessere Antriebe, welche solche Reisen deutlich schneller schaffen könnten. Aber noch wissen wir wenig über die Technologie, die für interstellare Raumflüge nötig ist. Selbst ein Raumschiff, das 10% der Lichtgeschwindigkeit erreicht, übersteigt derzeit unsere technischen Möglichkeiten bei Weitem.

Um die Entfernungen zu verdeutlichen, können wir uns die Sonne in der Größe eines Basketballs vorstellen. Die Erde (in der Größe eines Maiskorns) wäre dann 30 Meter entfernt, der Pluto 1,6 Kilometer. Der nächste Stern (Proxima Centauri) wäre dann in einer Distanz von 8000 Kilometern, was der Strecke London – San Franzisco entspricht. Eine Reise zu Tau Ceti oder Epsilon Erani (11 Lichtjahre entfernt) würde schon das Dreifache bedeuten.

Es gibt aber optimistische Wissenschaftler, die interstellare Raumfahrt tatsächlich für möglich halten. Als Antrieb für eine ganz neue Raumfahrttechnik kämen etwa gezielt gezündete Wasserstoffbomben in Frage. Es wird auch über kolossale Lichtsegel spekuliert, die von Laserstrahlen angetrieben werden, oder Antimaterie als Antrieb, was allerdings eine riesige wissenschaftliche Herausforderung bedeuten würde.

Interstellare Reisen mit bemannten Raumfahrzeugen scheinen aber nahezu unmöglich. Einige Wissenschaftler zweifeln schon an der Überwindung der Grenze des Sonnensystems. Heute würde eine Reise bis zum Rand der Heliosphäre schon rund 10 Jahre dauern. Die Hin- und Rückreisezeit zu einem Nachbarstern wäre dann so lang, dass sie nicht innerhalb der menschlichen Lebensspanne zu bewältigen ist. Eine Idee zur Erkundung fremder Sternsysteme sind (Multi-)Generationenschiffe, die ferne Welten mit einem Antrieb durch Kernfusion erkunden sollen. Nach den Berechnungen der Forscher sei damit eine Höchstgeschwindigkeit von 12% der Lichtgeschwindigkeit möglich. Aber selbst mit Lichtgeschwindigkeit wären es beispielweise bis Tau Ceti – 11,9 Lichtjahren entfernt – 40 Jahre.

Außerdem wären die Kosten für den Flug astronomisch hoch: Mehr als 1000 Jahre des Weltenergie-verbrauchs. Selbst bei einer phantastisch neuen Antriebsquelle könnten wir uns die Kosten nicht leisten. Doch auch die Frage, ob intelligente Lebewesen Reisen von Stern zu Stern überhaupt überleben können, ist bisher offen. Man müsste die Raumgleiter vor Gasatomen und Staubkörner schützen, denn bei hohen Geschwindigkeiten würde jedes von ihnen wie eine Granate einschlagen. Langsamere Raumschiffe wären daher sicherer, bräuchten jedoch viele Jahrhunderte oder sogar Jahrtausende länger auf ihrer Reise zu fremden Sternen. Eine solche Zeitspanne würde entsprechend riesige Anforderungen an die Lebenserhaltungssysteme stellen.

REM