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11.12.2009

Phobos und Deimos

HRSC auf Mars Express nimmt die beiden Marsmonde Phobos und Deimos zum ersten Mal gemeinsam und in hoher Auflösung auf


Allerhöchste PrĂ€zision, eine Binsenweisheit, ist eine der wichtigsten Voraussetzungen fĂŒr erfolgreiche Raumfahrtmissionen. Ein beeindruckendes Beispiel fĂŒr die perfekte Aufnahmeplanung eines außergewöhnlichen Ziels im Sonnensystem ist nun Wissenschaftlern am Deutschen Zentrum fĂŒr Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit der Raumflugleitung der EuropĂ€ischen Weltraumorganisation ESA in Darmstadt gelungen. Zum ersten Mal konnten die beiden winzigen Marsmonde Phobos und Deimos in hoher Auflösung gemeinsam in einer Aufnahmesequenz in Bildern festgehalten werden. Gelungen ist dies mit dem Super Resolution Channel (SRC) des Kameraexperiments HRSC (High Resolution Stereo Camera) auf der ESA-Raumsonde Mars Express, das vom DLR-Institut fĂŒr Planetenforschung in Berlin-Adlershof in Abstimmung mit der Gruppe des wissenschaftlichen Leiters des Experiments an der Freien UniversitĂ€t Berlin betrieben wird.

"Es kommt nur selten vor, dass sich beide Marsmonde vor der Kamera und in Aufnahmerichtung direkt hintereinander aufgereiht befinden", erklärt Harald Hoffmann vom DLR-Institut für Planetenforschung. "Während der nunmehr fast sechsjährigen Missionsdauer kam es schon mehrfach zu einer Konstellation, bei der beide Monde im Sichtfeld der Kamera sind", ergänzt Klaus-Dieter Matz, der die ungewöhnlichen Aufnahmen mit dem Kamerasystem auf Mars Express gemeinsam mit Harald Hoffmann geplant hat. "Die geometrischen Verhältnisse der Konstellation während Orbit 7492 am 5. November 2009 waren allerdings besonders günstig, so dass wir dieses Mal eine Aufnahmesequenz versuchen wollten - und dieser erste Versuch hat prompt das erwartete Ergebnis geliefert!"

Die Marsmonde Phobos und Deimos auf einer hochauflösenden Bildsequenz 

Erstmals ist es gelungen, die beiden Marsmonde Phobos und Deimos in hoher Auflösung in einer Bildsequenz aufzunehmen. Möglich wurde dies, weil sich beide Marstrabanten am 5. November 2009 in der Blickrichtung des HRSC-Kamerasystems auf der ESA-Raumsonde Mars Express direkt hintereinander aufgereiht befanden. Insgesamt wurden mit dem Super Resolution Channel (SRC) des HRSC-Systems (High Resolution Stereo Camera) 130 Einzelaufnahmen gemacht, von denen 120 in diesem "Daumenkino" als filmische Abfolge zu sehen sind. Die Aufnahmeabstände betrugen zunächst eine, in der Mitte der Aufnahmenreihe dann eine halbe Sekunde. Aus technischen Gründen - Mars Express bewegt sich in einer polaren Umlaufbahn von Norden nach Süden, während die Monde auf ihrem Orbit den Mars senkrecht dazu in der Äquatorebene umrunden - ist in der Filmsequenz Norden rechts. Zum Zeitpunkt der Aufnahmen im Orbit 7492 war Phobos, der größere und innere der beiden Marsmonde, 11.800 Kilometer von Mars Express entfernt. Deimos befand sich zur Aufnahmezeit in einer Distanz von 26.200 Kilometern zur Raumsonde. Wegen dieser relativ großen Entfernungen kam der SRC der HRSC zum Einsatz, ein zusätzlicher Kanal mit einer Extra-Optik, der bei einem Gesichtsfeld von nur 0,5 Grad eine vier Mal höhere Auflösung besitzt als die HRSC. Die Bildauflösung für Phobos beträgt etwa 110 Meter pro Bildpunkt; bei dem doppelt so weit entfernten Deimos etwa 240 Metern pro Pixel.
Animation: ESA/DLR/FU Berlin (G. Neukum).

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Nachträgliche "Schärfung" der Aufnahmen durch spezielle Bildverarbeitung


Zum Zeitpunkt der Aufnahmen war Phobos, der größere und innere der beiden Marsmonde, 11.800 Kilometer von Mars Express entfernt. Phobos umrundet den Nachbarplaneten der Erde in nur 7 Stunden und 39 Minuten, hat also eine viel höhere Geschwindigkeit relativ zum Planeten, als dies beispielsweise beim Mond der Erde der Fall ist und schon deshalb der Zeitpunkt der Aufnahme präzise geplant sein muss. Deimos befand sich zur Aufnahmezeit in einer Distanz von 26.200 Kilometern zur Raumsonde. Wegen dieser relativ großen Entfernungen kam der "Super Resolution Channel" (SRC) der HRSC zum Einsatz, ein zusätzlicher Kanal mit einer Extra-Optik, der bei einem Gesichtsfeld von nur 0,5 Grad eine vier Mal höhere Auflösung besitzt als die HRSC.

Die Bilder des Super Resolution-Kanals müssen allerdings wegen eines Dreifach-Fokus- Bildfehlers, der aus einer minimalen geometrischen Verzerrung des Teleskopspiegels in der Kamera herrührt - nachbearbeitet werden. Dies geschieht in der Arbeitsgruppe des wissenschaftlichen Leiters (Principal Investigator) des HRSC-Experiments, Prof. Gerhard Neukum, an der Freien Universität Berlin. "Mit einem komplexen Verfahren ist es jetzt möglich, die Unschärfen in den SRC-Bildern fast vollständig zu eliminieren", erläutert Dr. Gregory Michael von der FUB. "Die Entfernungen zwischen Raumsonde, Phobos und Deimos waren relativ groß, so dass die SRC-Bildauflösung für Phobos bei etwa 110 Meter pro Bildpunkt liegt, und bei dem doppelt so weit entfernten Deimos bei etwa 240 Metern pro Pixel."

Die Umlaufbahn von Mars Express ermöglicht es im Gegensatz zu den beiden NASA-Orbitern Mars Odyssey und Mars Reconnaissance Orbiter nur der ESA-Sonde, beide Monde gleichzeitig im Blickfeld zu haben. Mars Express entfernt sich in seinem elliptischen Orbit um etwa 10.000 Kilometer von der Marsoberfläche, was im Idealfall eine "Annäherung" an Deimos von 9.000 Kilometern ermöglicht. Das bisher beste Mars Express-Bild von Deimos entstand aus einer Distanz von etwa 10.000 Kilometern, die bislang besten Phobos-Aufnahmen gelangen 2008 aus nur 93 Kilometern Entfernung. Beide Monde umrunden den Mars auf fast kreisförmigen Bahnen nahezu exakt in dessen Äquatorebene.


Konstellation von Mars, den Mars-<br>monden, und Mars Express zum<br>Zeitpunkt der Aufnahmen
Konstellation von Mars, den Mars-
monden, und Mars Express zum
Zeitpunkt der Aufnahmen
Die Raumsonde Mars Express der Europäischen Weltraumorganisation ESA befindet sich seit dem 25. Dezember 2003 in einer elliptischen, polaren - d.h. um fast 87 Grad gegenüber der Äquatorebene geneigten - Marsumlaufbahn, die den Orbiter etwa drei mal am Tag bis auf 270 Kilometer nahe an die Marsoberfläche heranführt (roter Orbit). Den größten Abstand zum Mars durchläuft die Sonde in etwa 10.000 Kilometer Entfernung zur Marsoberfläche. Phobos, ein unregelmäßig geformter Körper mit einem Durchmesser von 26,8 km x 22,4 km x 18,4 km, umrundet den Planeten auf einer nahezu kreisförmigen Bahn in dessen Äquatorebene in knapp 6.000 Kilometer Entfernung zum Mars. Deimos, mit einem Durchmesser von 15,0 km x 12,2 km x 10,4 km der kleinere der beiden Trabanten, umkreist den Mars in einer Distanz von etwa 20.000 Kilometern. Im Verlauf der fast sechsjährigen Mission von Mars Express war die Konstellation der beiden Monde am 5. November 2009 günstig, um sie gemeinsam in einer Aufnahmesequenz festzuhalten. Phobos und Deimos befanden sich direkt in der Sichtlinie des Kamerasystems HRSC (High Resolution Stereo Camera).
Graphik: FU Berlin

Hochpräzise Ephemeriden sind die Basis für das genaue Zielen der Kamera


Im kritischen Zeitraum wurden mit dem SRC während eines Zeitraums von etwa anderthalb Minuten in Abständen von zunächst einer und dann nur einer halben Sekunde nacheinander 130 Aufnahmen gemacht. Als die Bilder vom ESA-Kontrollzentrum in Darmstadt zu unserem Experiment-Team nach Berlin übertragen waren, erkannten wir sofort, dass sowohl unsere Planungen für die Zielvorgabe der Kamera, als auch die von der ESA vorausberechneten Bahnlagedaten der Raumsonde nahezu perfekt zueinander gepasst haben", freut sich HRSC-Planer Hoffmann. "Wir waren uns aber schon vorher ziemlich sicher, dass die Aufnahmen klappen müssten, denn auch die Kollegen der ESA sahen im Abgleich mit den Daten der Raumlage von Mars Express keinen Anlass, an unserer Programmierung Korrekturen vorzunehmen". Die Mars-Express-Sonde wird seit ihrem Start am 2. Juni 2003 durch das European Space Operations Centre (ESOC) der ESA in Darmstadt gesteuert; die Mission wurde erst vor kurzem bis Ende 2012 verlängert.

Voraussetzung für den Erfolg des Experiments sind hochgenaue so genannte Ephemeriden, Tabellen, aus denen die Position von Planeten, Monden und kleinen Körpern im Sonnensystem sowie von Raumsonden herausgelesen werden können. Die Ephemeriden für Phobos und Deimos konnten im Laufe der fast sechsjährigen Missionsdauer kontinuierlich verbessert werden, und auch die Flugbahn von Mars Express kann vom ESOC sehr präzise vorausgesagt werden, so dass sich die Position der Sonde zum Zeitpunkt der Aufnahmen nur um wenige Sekunden bzw. Kilometer von der für mehrere Monate vorausberechneten Lage unterschied. "Die Orbitabweichung betrug etwa 10 Sekunden von den erwarteten Werten, was sehr wenig ist und selbst bei einer Kameraöffnung von nur 0,5 Grad noch in der Toleranz liegt", erklärt Klaus-Dieter Matz.


Die beiden Marsmonde Phobos und<br>Deimos erstmals in hoher Auflösung<br>gemeinsam im Bild
Die beiden Marsmonde Phobos und
Deimos erstmals in hoher Auflösung
gemeinsam im Bild
Am 5. November 2009 gelangen zum ersten Mal Aufnahmen, auf denen die beiden Marsmonde Phobos und Deimos gemeinsam in hoher Auflösung zu sehen sind. Auf der Grundlage einer hochpräzisen Aufnahmeplanung gelang es dem High Resolution Stereo Camera (HRSC) Experiment-Team für Mars Express am DLR-Institut für Planetenforschung in Abstimmung mit der Gruppe des wissenschaftlichen Leiters des Experiments an der Freien Universität Berlin insgesamt 130 Aufnahmen der seltenen Konstellation zu machen. Zum Zeitpunkt der Aufnahmen war Phobos, der größere der beiden Marsmonde (rechts in den Bildern), etwa 11.800 Kilometer von Mars Express entfernt; Deimos befand sich zur gleichen Zeit in 26.200 Kilometer Entfernung von der Raumsonde. Wegen dieser relativ großen Entfernungen kam der Super Resolution Channel (SRC) der HRSC zum Einsatz, ein zusätzlicher Kanal mit einer Extra-Optik, der bei einem Gesichtsfeld von nur 0,5 Grad eine vier Mal höhere Auflösung besitzt als die HRSC. Die Rohbilder des SRC haben jedoch einen kleinen Bildfehler, eine Dreifach-Fokus-Verzeichnung, die aus einer minimalen geometrischen Verzerrung des Teleskopspiegels in der Kamera herrührt. Deshalb müssen die SRC-Aufnahmen in einem komplexen Verfahren nachbearbeitet werden (linkes Bild). Dabei können die Unschärfen in den SRC-Bildern fast vollständig eliminiert werden (rechtes Bild). Die Bildauflösung für Phobos beträgt etwa 110 Meter pro Bildpunkt; bei dem doppelt so weit entfernten Deimos etwa 240 Metern pro Pixel.
Bild: ESA/DLR/FU Berlin (G. Neukum)

Erforschung von Phobos einer der wissenschaftlichen Schwerpunkte


Neben der globalen Kartierung der Marsoberfläche mit der HRSC in hoher Auflösung, in Farbe und in "3D" stellt die Untersuchung des Marsmondes Phobos einen wissenschaftlichen Schwerpunkt des Kameraexperiments dar. So konnte der unregelmäßig geformte, 27 km x 22 km x 18 km große Phobos bereits 127 mal vom HRSC-Kamerasystem aufgenommen werden, wodurch signifikante Verbesserungen der topographischen Modelle des Trabanten erzielt, aber auch wichtige wissenschaftliche Erkenntnisse über den Ursprung und die Entwicklung von Phobos erzielt werden konnten.

Das Kameraexperiment HRSC auf der Mission Mars Express der Europäischen Weltraumorganisation ESA wird vom Principal Investigator (PI) Prof. Dr. Gerhard Neukum (Freie Universität Berlin), der auch die technische Konzeption der hochauflösenden Stereokamera entworfen hatte, geleitet. Das Wissenschaftsteam besteht aus 45 Co-Investigatoren aus 32 Institutionen und zehn Nationen. Die Kamera wurde am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) unter der Leitung des PI G. Neukum entwickelt und in Kooperation mit industriellen Partnern gebaut (EADS Astrium, Lewicki Microelectronic GmbH und Jena-Optronik GmbH). Sie wird vom DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof betrieben. Die systematische Prozessierung der Daten erfolgt am DLR. Die Darstellungen wurden vom Institut für Geologische Wissenschaften der FU Berlin in Zusammenarbeit mit dem DLR-Institut für Planetenforschung erstellt.


Nahaufnahme des Marsmondes<br>Phobos vom 28. Juli 2008
Nahaufnahme des Marsmondes
Phobos vom 28. Juli 2008
Neben der geologischen Charakterisierung und der vollständigen Kartierung der Marsoberfläche in hoher Auflösung, in Farbe und in 3D bildet die Erforschung des Marsmondes Phobos einen weiteren wissenschaftlichen Schwerpunkt des Kameraexperiments HRSC auf der ESA-Raumsonde Mars Express. Im Verlauf der bislang fast sechsjährigen Missionszeit konnte der größere der beiden Marsmonde bereits 127-mal von der HRSC (High Resolution Stereo Camera) und dem in die HRSC integrierten SRC (Super Resolution Channel) aufgenommen werden; mit dem SRC sind Bilder in viermal höherer Auflösung als mit der HRSC möglich. Mars Express kam dem 26,8 km x 22,4 km x 18,4 km großen Mond dabei bis auf 93 Kilometer nahe. Phobos umrundet den Planeten auf einer nahezu kreisförmigen Bahn in dessen Äquatorebene in knapp 6.000 Kilometer Entfernung zum Mars. Das Bild zeigt einen Blick auf die nördliche, von zahlreichen Einschlagskratern übersäte Hemisphäre von Phobos (N = Nordpol). Die Aufnahme entstand am 28. Juli 2008 während Orbit 5870 mit dem Nadirkanal der HRSC, der senkrecht auf die Oberfläche gerichtet ist. Mars Express befand sich dabei in 351 Kilometern Entfernung zu Phobos. Die Auflösung beträgt 14 Meter pro Bildpunkt (Pixel).
Bild: ESA/DLR/FU Berlin (G. Neukum)

Mars und seine Monde Phobos und Deimos

Mars Phobos Deimos

Mittlerer Durchmesser

6779 km 26.8 km x 22.4 km x 18.4 km 15.0 km x 12.2 km x 10.4 km

Mittlere Entfernung zum Marsmittelpunkt

- 9375 km 23458 km

Mittlere Entfernung  Marsoberfläche

- 5985.5 km 20068.5 km
Umlaufzeit* 686.5 Tage
0.32 Tage
(7 Stunden, 39 Minuten)
1.26 Tage
(1 Tag, 6 Stunden, 17 Minuten)
Mittlere Orbitalgeschwindigkeit 24.1 km/s 2.14 km/s
1.36 km/s
Achsneigung 25.2° 1.075° 0.93°
Mittlere Dichte
3.9 g/cm³ 1.9 g/cm³ 1.5 g/cm³
Entdeckung
sichtbar mit bloßem Auge Nacht vom 17. auf den 18. August 1877 (Asaph Hall, US Naval Observatory) Nacht vom 17. auf den 18. August 1877 (Asaph Hall, US Naval Observatory)
Namensgebung
römischer Kriegsgott (in der griechischen Mythologie: Ares) Griechischer Gott der Furcht, Sohn und Begleiter des Kriegsgottes Ares Griechischer Gott fĂŒr den Schrecken, Sohn und Begleiter des Kriegsgottes Ares

* Die Umlaufzeit entspricht bei beiden Monden auch fast genau der Länge des Tages, da sowohl Phobos als auch Deimos den Mars in einer so genannten "gebundenen Rotation" umrunden, also immer dieselbe Seite der beiden Trabanten dem Mars zugewandt ist.



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Konstellation von Mars, den Mars-
monden, und Mars Express zum
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Die beiden Marsmonde Phobos und
Deimos erstmals in hoher Auflösung
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Phobos vom 28. Juli 2008
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