Die Entdeckung der Jupitermonde

Möglicherweise hat der Engländer Leonard Digges bereits um die Mitte des 16. Jahrhunderts ein primitives Teleskop – entweder ein Linsenteleskop oder gar ein Spiegelteleskop - gebaut.

Sein Sohn Thomas Digges stellt diese Behauptung in dem Buch Pantometria aus dem Jahr 1591 (nach anderen Quellen 1571) auf; allerdings ist es fraglich ob zu diesem Zeitpunkt bereits optische Linsen (oder Spiegel) mit der notwendigen Qualität gegeben hat. In jedem Fall ist die Beschreibung der Fähigkeiten des Teleskops, wie sie Thomas Digges liefert, stark übertrieben.

Im Sternbild Cassiopeia erscheint am 11. November 1572 ein neuer Stern, der von Tycho Brahe, seiner erst 13-jährigen Schwester Sophia Brahe und zahlreichen anderen Astronomen in Europa und Asien beobachtet wird. Heute wird er auch als Tychos Supernova bezeichnet, da Tycho Brahe die genauesten Beobachtungen hinterlassen hat.

Das Auftauchen eines neuen Sterns ist insofern eine Überraschung, weil sie die durch Aristoteles aufgestellte Theorie, dass die Vorgänge am Himmel für immer gleich ablaufen, in Frage stellt.

Zuerst in Mittelamerika, dann auch in Europa und Japan wird Anfang November ein neuer Großer Komet gesichtet.

Der fünf- oder sechsjährige Johannes Kepler gehört zu denen, die diesen Kometen ebenfalls sehen. Er ist tief beeindruckt; vielleicht wurde dadurch sein Interesse an der Astronomie geweckt. Vielleicht hat auch Simon Marius im Alter von vier Jahren diesen Kometen gesehen.

Tycho Brahe sichtet den neuen Kometen zum ersten Mal am 13. November 1577. Er wird den Kometen bis zum 26. Januar 1578 beobachten und die detaillierte Beobachtungen hinterlassen.

In der päpstlichen Bulle Inter Gravissimas vom 24. Februar 1582 wird der bis dahin gültige Julianische Kalender, der noch aus dem Jahr 45 v.Chr stammt, durch den Gregorianischen Kalender ersetzt. Dafür werden ab dem 5. Oktober 1582 insgesamt 10 Tage im Kalender ausgelassen; auf den 5. Oktober folgt also der 16. Oktober.

Die Gregorianische Kalenderreform wird aber nur schrittweise eingeführt. Zunächst beteiligen sich zunächst nur einige katholische Länder Europas. In evangelischen Gebieten wird der neue Kalender erst ab 1700 eingeführt, in manchen Ländern erst im 20. Jahrhundert. Das führt in der Folge oft zu zwei verschiedenen Datumsangaben.

Tycho Brahe beschreibt in dem Werk De Mundi Aetherei ein eigenes Weltbild, eine Mischung aus dem alten geozentrischen und dem neuen heliozentrischen System von Nikolaus Kopernikus.

In diesem Weltbild befindet sich die Erde nach wie vor im Zentrum des Universums, wird aber von Mond und Sonne umkreist, während alle anderen Planeten um die Sonne kreisen. Mathematisch ist dieses Arrangement gleichwertig zu dem von Kopernikus, vermeidet aber das Problem einer sich bewegenden, rotierenden Erde.

Das neue Weltbild erweist sich als populär, zum Beispiel wird es von Christopher Clavius und Simon Marius favorisiert. Erst durch die Entdeckung des Gravitationsgesetzes durch Isaac Newton ein Jahrhundert später ergibt sich ein physikalisches Argument für das kopernikanisch System, aber es dauert bis zur Mitte des 19. Jahrhunderts bis alle Zweifel ausgeräumt sind.

Tycho Brahe beobachtet am 14. Juli 1596 erstmals den Kometen C/1596 N1. Er setzt seine Beobachtungen bis zum 27. Juli fort.

Simon Marius beobachtet den Kometen von Juli bis August 1596 und veröffentlicht noch im selben Jahr ein Buch über seine Beobachtungen.

Auch Taqi al-Din und Giambattista della Porta haben Geräte beschrieben, mit denen man entfernte Objekte besser erkennen kann. Allerdings nimmt man an, dass zu dieser Zeit verfügbaren Linsen noch nicht gut genug waren, um ein praktikables Fernrohr zu bauen.

Giambattista della Porta beschreibt seine Erfindung allerdings erst in seinem letzten, unvollendetem Buch De telescopiis im Jahr 1615. Zu dieser Zeit waren Telekope bereits mehrere Jahre im Umlauf.

Simon Marius schließt Anfang 1601 seine Ausbildung an der Fürstenschule Heilsbronn ab und wird Hofmathematiker in Ansbach. Markgraf Georg Friedrich I schickt Simon Marius am 22. Mai 1601 mit einem Empfehlungsschreiben zu Tycho Brahe nach Prag. Dort trifft er auch auf Johannes Kepler.

Allerdings verlässt Simon Marius Prag bereits im September 1601 wieder, um an der Universität Padua Medizin zu studieren.

Zum zweiten Mal nach 1572 taucht ein neuer Stern am Himmel auf:

• Astronomen in Verona und Florenz beobachten am 9. Oktober 1604 im Sternbild Schlangenträger einen neuen Stern am Himmel.
• Simon Marius beobachtet den neuen Stern am 10. Oktober 1604 zusammen mit anderen Astronomen in Padua, wo er sich seit 1601 zum Medizinstudium aufhält.
• Ebenfalls am 10. Oktober 1604 wird der neue Stern in China beobachtet.
• Kurz darauf liegen Beobachtungen aus Korea vor.
• Johannes Kepler beobachtet den neu entdeckten Stern in am 17. Oktober 1604 in Prag.
• Galileo Galilei beobachtet den neu entdeckten Stern am 28. Oktober 1604 in Padua; später beschreibt das Phänomen in drei öffentlichen Vorträgen.

Kepler beobachtet den neuen Stern bis zum 8. Oktober 1605.

Johannes Kepler wird zwei Jahre später ein Buch über das Phänomen veröffentlichen, weswegen der neue Stern heute auch als Keplers Supernova bezeichnet wird.

Baldessar Capra, ein Schüler von Simon Marius, veröffentlicht eine lateinische Übersetzung von Galileo Galileis Werk über den Proportionalzirkel aus dem Jahr 1606, aber unter seinem eigenen Namen und als ob er der Erfinder des Proportionalzirkels wäre.

Galileo ist verständlicherweise damit nicht einverstanden, erreicht eine Anhörung an der Universität, erhält Recht und und erwirkt eine Anordnung zu die Zerstörung der Plagiate, was aber nicht vollständig gelingt.

Ob Simon Marius mit involviert war oder von der Sache wusste ist nicht klar. Galilei jedenfalls verdächtigt ihn sogar, der Urheber der Übersetzung zu sein, die dann nur noch im Namen von Baldessar Capra veröffentlicht wurden.

Hans Lipperhey führt am 10. September 1608 in Den Haag erstmals das von ihm entwickelte Fernrohr vor. Das Instrument bietet eine dreifache Vergrößerung.

Am 2. Oktober 1608 beantragt er den Generalstaaten der Niederlande ein Patent für ein Instrument zum Sehen in die Ferne. Dieses Patent wird ihm zwar verweigert, aber der Rat von Zeeland spricht ihm aber eine großzügige Abfindung zu und erteilt ihm den Auftrag, ein solches Instrument zu bauen. Das Patent wurde Lipperhey vermutlich deshalb verweigert, weil er zu diesem Zeitpunkt nicht der einzige war, der ein solches Instrument herstellen konnte — Jakob Metius und vielleicht Zacharias Jansen dürften das Fernrohr unabhängig von Lipperhey entdeckt haben.

… dass ein Belgier sich jetzt in Frankfurt auf der Messe aufhalte, der ein Instrument entwickelt habe, mit dem man alle sehr weit entfernten Gegenstände betrachten könne, als wenn sie ganz nahe seien.

• Thomas Harriot hat bereits im Frühjahr 1609 ein Holländisches Fernrohr erstanden.
• Galileo Galilei hört im Mai 1609 in Venedig vermutlich erstmals von einem Teleskop und macht sich in der Folgezeit daran, selbst Teleskope zu bauen.
• Simon Marius erhält im Sommer 1609 nun doch ein Teleskop aus Belgien.

Galileo Galilei baut im Juli 1609 sein erstes Teleskop. Das Instrument ist genauso konstruiert wie das von Lipperhey; Galileo betont jedoch, dass es sich um eine Eigenentwicklung handle. In der Folgezeit baut Galileo nicht nur Teleskope für seine eigenen Experimente, er verkauft auch Teleskope und sichert sich so einen lukrativen Nebenverdienst.

Am 25. August 1609 präsentiert Galileo Galilei der venezianischen Regierung ein Fernrohr, das etwa acht- bis neunfache Vergrößerung hat.

• Thomas Harriot fertigt am 26. Juli 1609 mit Hilfe eines belgischen Teleskops die erste Mondkarte an. Es ist die früheste dokumentierte astronomische Beobachtung mit einem Fernrohr.
• Galileo Galilei fertigt am 30. November 1609 seine erste Mondkarte an.
• Auch Simon Marius beobachtet Ende 1609 den Mond.

• Die Sonne steht im Zentrum des Sonnensystems und ist der Ausgangspunkt für die Bewegung der Planeten. (Bei Kopernikus war die Sonne aus technischen Gründen nicht genau das Zentrum der Planetenbahnen).
• Die ersten beiden Keplerschen Gesetze – die damals noch nicht so genannt wurden – besagen, dass die Planetenbahnen Ellipsen sind. Die Sonne befindet sich jeweils in einem der Brennpunkte dieser Ellipse.

Damit formuliert Kepler eine neue, wesentlich elegantere Beschreibung der Bewegung der Planeten.

Galileo Galilei beobachtet am 7. Januar 1610 den Planeten Jupiter mit seinem Fernrohr und findet drei kleine Sterne ganz in der Nähe des Jupiter.

Zwei davon befinden sich östlich, ein weiterer westlich des Planeten. Ihm fällt weiter auf, dass alle drei Sterne und der Planet auf einer geraden Linie liegen. Diese Linie verläuft parallel zur Bewegung des Jupiter.

Noch versteht Galilei nicht, was er da entdeckt hat. Er glaubt, es handle sich bei diesen drei Lichtpunkten um schwache Fixsterne. Das wäre auch nicht weiter verwunderlich, denn Galilei hat schon früher festgestellt, dass er durch sein Teleskop zehnmal mehr Sterne sehen kann als durch das bloße Auge.

Heute weiß man, dass es sich bei den neu entdeckten Sternen um die Jupitermonde Io, Europa und Ganymed gehandelt hat.

Am Abend dieses Tages sah ich um die fünfte Stunde drei Gestirne, die sich westlich des Jupiter gleichsam auf einer geraden Linie mit ihm befanden.

Galileo Galilei veröffentlicht am 13. März 1610 seine astronomischen Beobachtungen unter dem Titel Sidereus Nuncius.

Die ersten beiden Abschnitte beschäftigen sich mit dem Erdmond und den Sternen; im letzten Teil beschreibt er die neu entdeckten Monde des Jupiter. Sidereus Nuncius ist damit die erste Veröffentlichung über die Jupitermonde.

Galileo Galilei widmet die neu entdeckten Gestirne dem Fürstenhaus der Medici und schlägt den Namen Medicea Sidera (deutsch Medicische Gestirne) vor. Galileo war der Mathematiklehrer des jungen Cosimo II. de’ Medici gewesen und hoffte, die Gunst seines inzwischen zum Großherzog der Toskana aufgestiegenen ehemaligen Schülers zu erlangen. Seine Hoffnung wurde nicht enttäuscht: im Herbst des Jahres wurde Galileo zum Hofmathematiker ernannt und erhielt eine Professorenstelle in Pisa.

Darüber hinaus lehnt Galilei Eigennamen für die einzelnen Monde ab und verwendet in seinen Notizbüchern eine zählende Benennung: I, II, III und IV.

Der Jesuit Christopher Clavius erkennt Ende 1610 die Entdeckung der Jupitermonde an. Clavius war der Begründer der Vatikanischen Sternwarte, der Organisator die Gregorianische Kalenderreform und galt als der »Euklid des 16. Jahrhunderts« — eine Bestätigung aus seinem Mund ist also immens wichtig für Galileo.

Jedoch bleibt Clavius anderen Beobachtungen aus dem Sidereus Nuncius gegenüber skeptisch; unter anderem lehnt der das Kopernikanische Weltbild ab und ist weiterhin davon überzeugt, dass sich die Erde im Mittelpunkt des Universums befindet.

Simon Marius veröffentlicht seine Beobachtungen unter dem Titel Mundus Iovialis anno M.DC.IX Detectus Ope Perspicilli Belgici (Die Welt des Jupiter im Jahre 1609 entdeckt mit Hilfe eines belgischen Fernrohrs), kurz Mundus Iovialis.

Mundus Iovialis enthält unter anderen sehr genaue Daten über die Umlaufzeiten der Monde (besser als die von Galileo Galilei), die nur 3 Promille von den heutigen Werten abweichen.

Simon Marius diskutiert in Mundus Iovialis gleich vier Namenskonventionen:

Zählende Benennung

den ersten, zweiten, dritten und vierten Mond des Jupiter.

Brandenburger Gestirne

Marius stand in Diensten der Fürsten von Brandenburg-Ansbach, also war es nur natürlich, die Entdeckung seinem Landesherrn zu widmen.

Analog zu den Planeten der Sonne

Merkur des Jupiter, Venus des Jupiter, Jupiter des Jupiter und Saturn des Jupiter. Den Mars lässt er aus astrologischen Erwägungen aus, weil der seiner Meinung nach nicht zu Jupiter passt.

Mythologische Benennung

Io, Europa, Ganymed und Kallisto, wie im Jahr zuvor von Johannes Kepler vorgeschlagen.

Von diesen Vorschlägen erweist sich die zählende Benennung als die populärste. Die von Galilei und Marius entdeckten Jupitermonde werden oft als Jupiter I, Jupiter II, Jupiter III und Jupiter IV bezeichnet. Auch Galileo Galilei, der die insbesondere die Mythologischen Namen abgelehnt hat, verwendete diese Nomenklatur in seinen Notizbüchern. Sogar als ab 1892 weitere Jupitermonde entdeckt wurden, führte man die Nummerierung mit Jupiter V zunächst weiter.

Daneben wurden in der Folgezeit auch die mythologischen Namen verwendet, kamen aber Ende des 19. Jahrhunderts weitgehend aus der Mode. Erst Mitte des 20. Jahrhunderts wurden sie wieder aufgegriffen und 1975 offiziell festgeschrieben.

Der amerikanische Astronom Edward Emerson Barnard entdeckt am 9. September 1892 einen fünften Jupitermond. Der neue Mond erhält zunächst die Bezeichnung Jupiter V, erst 1975 erhält er den offiziellen Namen Amalthea.

Der neue Mond ist, wie sich später herausstellt, mit einem Durchmesser von knapp 170 Kilometern zwanzig bis dreißig kleiner als die Galileischen Monde. Weil er aber sehr viel näher am Jupiter kreist, ist dieser Mond von der Erde aus schwer zu beobachten und blieb deshalb lange unentdeckt.

Die Entdeckung von Amalthea ist in einer anderen Hinsicht eine Besonderheit. Wie die anderen vier Jupitermonde wurde Amalthea von einem menschlichen Beobachter durch ein Teleskop, aber mit dem bloßen Auge entdeckt. Alle weiteren Monde im Sonnensystem wurden auf fotographischen Weg gefunden.

Der amerikanische Astronom Charles Dillon Perrine entdeckt am 3. Dezember 1904 einen sechsten Jupitermond, der zunächst die Bezeichnung Jupiter VI erhält. Erst 1975 erhält der Mond den Namen Himalia.

Himalia ist der erste der äußeren Jupitermonde. Die Umlaufbahn dieses Mondes verläuft viel weiter vom Jupiter entfernt als die der bis dahin bekannten Monde. Kallisto, der äußerste von Galileis Monden, benötigt etwas über zwei Wochen für einen Umlauf, während Himalia acht Monate dafür benötigt.

Charles T. Kowal und Elisabeth Roemer entdecken am 30. September 1975 Themisto. Themisto besitzt eine sehr ungewöhnliche Umlaufbahn, die zwischen den inneren und den äußeren Monden liegt und eine hohe Bahnneigung aufweist.

Der nur 8 Kilometer große Mond geht bald wieder verloren, weil nicht genug Beobachtungsdaten vorliegen, um die Bahn genau zu bestimmen, und wird erst im Jahr 2000 wiedergefunden.

Voyager 1 liefert am 5. März 1979 die ersten detaillierten Bilder von Amalthea. Weil der Mond nicht zu den priorisierten Zielen von Voyager, beträgt die geringste Entfernung etwa 420.000 Kilometer, das entspricht grob der Entfernung Erde-Mond.

Am 8. März 1979 entdeckt Linda Morabito auf einem Bild, das Voyager 1 nach dem Vorbeiflug am Io aus einer Entfernung von 4.5 Millionen Kilometern aufgenommen hat, ein verdächtiges Artefakt am Rand des Mondes.

Dieses Artefakt stellt sich als Vulkanausbruch heraus – eine Überraschung, mit der kaum jemand gerechnet hatte. In der Folgezeit findet man auch auf früheren Bildern Vulkansubrüche; weil die Auswurfwolken sind aber nur sehr schwach zu erkennen sind, hatte man diese zuerst übersehen.

Auf dem folgenden Bild, das bereits beim Anflug am 4. März 1979 aus einer Entfernung von 490.000 Kilometern aufgenommen wurde, wurde die Rauchfahne durch nachträgliche Bearbeitung sichtbar gemacht.

Während Voyager 1 zuerst Jupiter und dann die großen Monde passierte, war die Reihenfolge bei Voyager 2 ungekehrt. Das hatte den Vorteil, dass die Monde sich an einer anderen Stelle ihrer Umlaufbahn befanden. Weil bei den Jupitermonde wie beim Erdmond immer dieselbe Seite auf Jupiter gerichtet ist, konnte Voyager 2 deshalb jeweils andere Teile der Oberfläche aus der Nähe fotografieren.

Weil die Bahn von Voyager 1 bereits sehr nahe an Io vorbeigeführt hatte, verzichtete Voyager 2 auf eine enge Begegnung mit Io und konnte dadurch Europa aus größerer Nähe fotografieren.

Am 18. Oktober 1989 startet die Raumsonde Galileo zum Jupiter. Weil das Space Shuttle wegen Kapazitätsproblemen nicht mehr die dreistufige IUS (wie 1982 geplant) und wegen großer Sicherheitsbedenken auch nicht mehr nicht die Centauerstufe (wie 1986 geplant) verwenden kann, wird der Start aus der Erdumlaufbahn mit einer zweistufigen IUS durchgeführt.

Um dennoch zu Jupiter zu fliegen, absolviert Galileo zunächst 1990 ein Swing-By Manöver an der Venus, und dann jeweils 1990 und 1992 ein weiteres an der Erde. Dadurch verlängert sich die Flugzeit von knapp drei auf über sechs Jahre.

Am 11. April 1991 soll Galileo seine Parabolantenne entfalten; wegen dem ursprünglich nicht vorgesehenen Vorbeiflug an der Venus und er damit verbundenen hohen Temperaturen wollte man damit warten bis die Sonde in kühlere Regionen gelangte.

Nach 56 von 165 Sekunden bleiben jedoch die Motoren zum Öffnen der Antenne stehen. In der Folgezeit versucht man, die Antenne mit diversen Manövern vollständig zu öffnen, allerdings ohne Erfolg. Galileo muss alle Daten über eine Reserveantenne übertragen, die aber nur 0,1 Promille der Übertragungskapazität hat.

Gaspra entpuppt sich als ein länglicher Asteroid, der etwa 9x18 Kilometer groß ist. Überraschenderweise gibt es keine großen Krater, was darauf hindeutet, dass Gaspra selbst vor nicht allzu langer Zeit (astronomisch bzw. geologisch betrachtet) bei einer Kollision entstanden ist.

Wegen der defekten Antenne werden die meisten Aufnahmen aber erst ein Jahr später übertragen, wenn Galileo wieder in Erdnähe kommt.

Galileo war zwar zu diesem Zeitpunkt noch 240 Millionen Kilometer vom Jupiter entfernt und hatte eine deutlich geringere Auflösung als erdgebundene Teleskope oder das Hubble. Dafür konnte Galileo die Einschläge »von der Seite aus« sehen, während alle anderen Teleskope nahezu frontal auf Jupiter blickten. Deshalb kann man auf den Bildern von Galileo auch den Einschlag auf der Nachtseite erkennen.

Wegen der defekten Antenne konnte Galileo aber nur wenige Bilder zur Erde senden.

Am 7. Oktober 1995 erreicht Galileo den Jupiter:

11:03

Galileo passiert Europa in einer Entfernung von 32.500 Kilometern.

15:46

Galileo passiert Io in einer Entfernung von nur 890 Kilometern. Dieser Vorbeiflug ist so angelegt, dass die Geschwindigkeit der Sonde relativ zum Jupiter verringert wird.

16:00

Die Atmosphärensonde erwacht. Zu diesem Zeitpunkt ist sie ca. 600.000 Kilometer vom Jupiter entfernt.

19:45

Galileo erreicht die geringste Distanz zu Jupiter.

22:04

Die Atmosphärensonde tritt in die Jupiteratmosphäre ein. Alle Messungen werden an die Galileo Sonde, die sich zu diesem Zeitpunkt in einer Entfernung von 214.000 Kilometern befindet, übertragen.

23:06

Der Funkkontakt zur Atmosphärensonde bricht erwartungsgemäß ab; dieser Teil der Mission ist zu Ende.

0:27

Galileo beginnt das Bremsmanöver für den Eintritt in die Jupiterumlaufbahn.

1:16

Ende des Bremsmanövers. Galileo ist die erste Raumsonde in einer Umlaufbahn um den Jupiter.

Ursprünglich sollten beim Vorbeiflug an Europa und Jupiter Daten gesammelt werden; während der zweijährigen Primärmission würde Galileo wegen der hohen Strahlenbelastung keine weiteren nahen Vorbeiflüge an Io absolvieren. Dazu hätten die Daten auf Band aufgezeichnet werden müssen; wegen eines technischen Problems mit dem Bandlaufwerk konnten aber keine Daten gesammelt werden.