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. Außerdem konnte der weiter entfernte Marsmond Deimos Anfang 2018 aufgenommen werden. Die vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelte und betriebene hochauflösende Stereokamera HRSC lieferte Bilder von Phobos 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.

Bild 1: Einzelaufnahme des Marsmond Phobos
HRSC Nadirkanal in voller Auflösung (Orbit 17342, aufgenommen am 12. September 2017)
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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 circa 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 2). Diese nutzt man zur kontinuierlichen Positionsbestimmung und der Verbesserung der Positionsvorhersage für die Marstrabanten.

                                                       

Bild 2: Astronomische Beobachtung mit dem Super Resolution Channel (SRC)
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, aufgenommen am 8. Januar 2018)
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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.

                                                                     

Darstellung der Flugbahnen von Mars, seinen Monden und der Raumsonde Mars Express
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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 3, 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.

           

Bild 3: Deimos und Saturn
Astronomische Beobachtung mit dem SRC der HRSC. Im Vordergrund ist der nur  6,2 Kilometer kleine Marsmond Deimos zu sehen, im Hintergrund sieht man Saturn mit seinen Ringen. (Orbit 17770, aufgenommen am 15. Januar 2018)  
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Aus HRSC-Bilddaten naher Vorbeiflüge (Bild 4) wurden die unten 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.

        

Bild 4: Phobos Sequenz aus Orbit 17342
Diese nur leicht unterschiedlichen Aufnahmen wurden mit fünf verschiedenen Kanälen der HRSC im Orbit 17342 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.
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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.

Astrometrische Beobachtung mit dem SRC von Phobos und Saturn (Video)
Die Animation besteht aus 30 einzelnen Bildern, die während Orbit 16346 von Mars Express am 26. November 2016 aufgenommen wurden. Das „Auf- und Ab-Wippen“ von Saturn und Phobos in den Bildern entsteht durch das Nachschwingen des Raumschiffes nach dem Schwenk in Richtung des Mondes.                                                                              

                

Weitere seit 2004 veröffentlichte Presseprodukte zu Phobos und Deimos finden Sie hier.

  

Bildrechte

Images: ESA/DLR/FU Berlin, CC BY-SA 3.0 IGO

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Die High Resolution Stereo Kamera wurde am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt und in Kooperation mit industriellen Partnern gebaut (EADS Astrium, Lewicki Microelectronic GmbH und Jena-Optronik GmbH). Das Wissenschaftsteam unter Leitung des Principal Investigators (PI) Prof. Dr. Ralf Jaumann besteht aus 52 Co-Investigatoren, die aus 34 Institutionen und 11 Nationen stammen. Die Kamera wird vom DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof betrieben.