Bedeckung zweier Sterne durch Titan
Geschrieben von K.L. Bath und J. Lüdemann   
27.11.2003

Am 14. Nov. 2003 bedeckte der 8,6 mag helle Saturnmond Titan innerhalb von acht Stunden zwei titanhelle Sterne. Das erste Ereignis war im südlichen Afrika zu sehen, das zweite in Mittelamerika, in Nordafrika und dem südlichen Europa. Unter der Leitung von Professor Bruno Sicardy vom Observatoire de Paris beteiligten sich verschiedene Organisationen, darunter die IOTA (International Occultation Timing Association) und die IAS, an einer Expedition nach Namibia und Südafrika, um dieses seltene Ereignis zu beobachten. 

Insgesamt haben sieben IAS-Mitglieder an verschiedenen Standorten in Namibia an dieser Expedition teilgenommen. K.-L. Bath hat auf der IAS-Sternwarte Hakos mit dem dortigen C14 beobachtet, J. Lüdemann fuhr zusammen mit Mike Kretlow und H. Lüdemann mit dem von E. Rixen dem Verein zur Verfügung gestellten C11 sowie der Fornax-Montierung in den Süden Namibias. Weitere IAS-Mitglieder waren auf dem Gamsberg sowie auf der Farm Tivoli.

Wegen der großen Entfernung des Sterns kann man mit nahezu parallelem Licht rechnen, wodurch der Schatten des Titan auf der Erde ebenso groß ist wie Titan selbst, eben 5000 km. Dadurch wurde ab dem Äquator der ganze Süden Afrikas und weit darüber hinaus von Titans Schatten überstrichen.

Von besonderem Interesse ist der so genannte Central Flash (zentrale Aufhellung, zentraler Blitz), eine nur 10 Sekunden andauernde erhebliche Aufhellung in der Mitte des Ereignisses, die auf einem zentralen Streifen von 500 km Breite, also einem Zehntel des Titanschattens (Abb. 6) zu beobachten ist.

Der Sinn der Messungen und ihrer Analyse sind erstens im Rahmen der Grundlagenforschung die Erkenntnisgewinnung über Atmosphären anderer Himmelskörper und zweitens ganz konkret möglichst detaillierte Erkenntnisse über die Titan-Atmosphäre, in die die Sonde Huygens der ESA am 14. Januar 2005 eintauchen soll.

Im Folgenden sind einige Ergebnisse dieser Expedition exemplarisch dargestellt.

Central Flash
Abb. 1: Flanken und Central Flash. Die kurzen Helligkeitsausbrüche beim Verschwinden und Wiedererscheinen des Sterns sind ausgeprägter als die Seeingspitzen außerhalb. Sie sind demnach reale Erscheinungen und werden von der Atmosphäre des Titan erzeugt.

Drei Stationen, ein Spike
Abb. 2: Drei Stationen, ein Spike. Die verschiedenen Stationen zeigen dieselbe ausgeprägte Spitze (markiert). Sie ist auf eine Inversionsschicht in der Titan-Atmosphäre zurück zu führen und war sogar am Pico Veleta in Spanien zu sehen (untere Graphik, acht Stunden später und bei der Bedeckung des zweiten Sterns). Die kleineren Spitzen zeigen Schwerewellen in Titans Atmosphäre an.

Der Central Flash

Der Central Flash ist eine Diakaustik (durch Brechung entstanden), ähnlich einer Katakaustik (durch Reflektion entstanden), bekannt als Lichtfigur im Inneren eines Ringes oder in einer Kaffeetasse. Die Diakaustik kommt bei der Sternbedeckung dadurch zustande, dass die Titan-Atmosphäre das Sternlicht in den Schattenraum hinein bricht. All diese Strahlen zusammen bilden in der Mitte die Figur der Diakaustik. In einer aufwändigen Analyse des Central Flash lassen sich Informationen über die Dichte- und Temperaturschichtung der Titan-Atmosphäre ableiten, sowie Informationen über Dunstschichten und sogar die globalen Winde.

Central Flash, erwartete Struktur
Abb 3: Central Flash, erwartete Struktur. Der Central Flash ist eine Diakaustik, die dadurch zustande kommt, dass das Sternlicht in der Titan-Atmosphäre senkrecht zur Oberfläche nach innen gebrochen wird. Exakte Rotationssymmetrie führt zu einem hellen Punkt in der Mitte. Abweichungen von der Rotationssymmetrie erzeugen Diakaustik.

Central Flash, Messergebnis
Abb. 4: Central Flash, Messergebnis. Bei den Beobachtungen trat praktisch nur die untere Spitze der Diakaustik auf, was auf eine starke Absorption auf der Südhemisphäre zurückzuführen ist.

Abb.6: Der Central Flash an vier Stationen.
Abb.5: Der Central Flash an vier Stationen. Aus der Analyse dieser Messungen wurde die Form des Central Flash ermittelt, wie in Abb. 4 dargestellt.

Abb. 6: Südliches Afrika mit Streifen des Central Flash.
Abb. 6: Südliches Afrika mit Streifen des Central Flash. Der 5000 km breite Schatten des Titan reicht vom Äquator bis weit in Richtung Antarktis. Der graue Streifen zeigt den Bereich, in dem der Central Flash beobachtet werden konnte.

Vorläufige Ergebnisse

Die vorläufigen Ergebnisse sind nachfolgend zusammengefasst:

Die Dichte-Profile sind zwischen 400-500 km Höhe etwas dichter (~35%), oder höher (~15 km) als nach Yelles Modell von 1991 erwartet.

Es gibt eine ausgeprägte Inversionsschicht in ca. 510 km Höhe. Ursache unklar (CH4-Erwärmung, Dynamischer Prozess?).

Die Temperatur-Gradienten liegen über der adiabatischen Änderungsrate, verursacht möglicherweise durch sich brechende Schwerewellen.

Die Dunst-Verteilung ist anders als nach dem Modell von Rannou et al. 2004 (keine Polarkappe bei 65° N, südliche Hemisphäre ist trüber als nach Rannou erwartet).

Die Form des Central Flash ist vereinbar mit starkem N-jet (~200 m/s) bei 50° N, hineinreichend bis in die südliche Hemisphäre (übereinstimmend mit Rannou-Profil bis auf 10%).

Ausgeprägte Asymmetrie N/S in jedem Fall nötig, um den Central Flash zu erklären.

Durchsicht (optische Tiefe τ) als Funktion der Wellenlänge τ ~ λ-q mit q=1,6 ± 0,2 im Bereich von 0,9 bis 2,2 µm

Insbesondere die neuen Erkenntnisse über die Inversionsschicht in ca. 510 km Höhe haben möglicherweise eine Konsequenz für die Huygens-Mission: sie könnte zu einem zu starken Abbremsen der Sonde in zu großer Höhe führen und damit ein zu frühes Öffnen der Fallschirme auslösen. Dank dieser Expedition kann die Sonde gegebenenfalls noch umprogrammiert werden.

Fazit

Insgesamt ist diese Titanbedeckung ein Beispiel für einen Beitrag zu einem wissenschaftlichen Projekt von Amateurastronomen u. a. mit transportablen und für diesen Zweck ausreichend großen Teleskopen, den die Berufsastronomie mit ihren ortsgebundenen Instrumenten allein nicht zu leisten vermag. Uns hat die Teilnahme viel Freude gemacht, und wir hoffen auf ein gutes Gelingen der Huygens-Landung im Januar 2005.

Links zum Thema:

http://despa.obspm.fr/~sicardy/titan/results.html
http://saturn.jpl.nasa.gov/news/features/titanOccult/index.cfm
http://www.lesia.obspm.fr/