Voyager 1

Voyager 1
Künstlerische Darstellung der Voyager-Sonde im All
NSSDC ID	1977-084A
Missions­ziel	Untersuchung der Planeten Jupiter und Saturn sowie deren MondeVorlage:Infobox Sonde/Wartung/Missionsziel
Auftrag­geber	NASAVorlage:Infobox Sonde/Wartung/Auftraggeber
Träger­rakete	Titan-IIIE-CentaurVorlage:Infobox Sonde/Wartung/Traegerrakete
Aufbau
Startmasse	825,50 kgVorlage:Infobox Sonde/Wartung/Startmasse
Instrumente
Vorlage:Infobox Sonde/Wartung/Instrumente CRS, ISS, IRIS, LECP, PPS, PLS, PWS, PRA, RSS, MAG, UVS
Verlauf der Mission
Startdatum	5. September 1977Vorlage:Infobox Sonde/Wartung/Startdatum
Startrampe	Cape Canaveral AFS Launch Complex 41Vorlage:Infobox Sonde/Wartung/Startrampe
Enddatum	voraussichtlich 2025Vorlage:Infobox Sonde/Wartung/Enddatum
Vorlage:Infobox Sonde/Wartung/Verlauf 05.09.1977 Start auf Cape Canaveral 05.03.1979 Passage Jupiter 11.11.1980 Passage Saturn 01.01.1990 Beginn der interstellaren Mission 16.12.2004 Eintritt in den Termination Shock 2005 Eintritt in das Heliosheath August 2012 Eintritt in die Heliopause ca. 2025 Ende der wissenschaftlichen Aktivitäten

Voyager 1 (engl. {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value) ‚Reisender‘) ist eine Raumsonde der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA zur Erforschung des äußeren Planetensystems und des interstellaren Raums im Rahmen des Voyager-Programms. Sie wurde am 5. September 1977 vom Launch Complex 41 auf Cape Canaveral mit einer Titan-IIIE-Centaur-Rakete gestartet. Ihre identisch aufgebaute Schwestersonde Voyager 2 war bereits 16 Tage früher auf einer anderen Flugbahn gestartet. Voyager 1 flog zunächst die Planeten Jupiter und Saturn an und trat ungefähr im August 2012 als erstes von Menschen erzeugtes Objekt in den interstellaren Raum ein.^[1]

Die Mission der Voyager 1 gilt als einer der größten Erfolge der NASA und der Raumfahrt allgemein. Die Sonde sendet noch heute regelmäßig Daten zur Erde. Außerdem ist sie das am weitesten von der Erde entfernte von Menschen gebaute Objekt überhaupt und wird diesen Status auf absehbare Zeit auch behalten. Zurzeit (3. April 2024) ist Voyager 1 ca. Vorlage:Voyager: Kein gültiges Datum angegeben! Astronomische Einheiten (AE) von der Sonne entfernt (ca. Fehler im Ausdruck: Unerwarteter Operator < Milliarden Kilometer).^[2] Jährlich nimmt die Entfernung um rund 3,6 AE (ca. 540 Mio. km) zu, dies entspricht einer (Radial-) Geschwindigkeit von etwa 61.000 km/h.^[3] Von der Erde aus betrachtet befindet sich Voyager 1 im Sternbild Schlangenträger.

Vorgeschichte

Die Wurzeln des Voyager-Programms reichen bis in die Mitte der 1960er-Jahre zurück. Es gab Berechnungen von Flugbahnen für Sonden, die die günstigen Stellungen der äußeren Planeten Ende der 1970er-Jahre ausnutzen sollten. Beschlossen wurde der Bau von Voyager 1 und 2 Anfang der 1970er-Jahre. Da sie ursprünglich als Erweiterung der Mariner-Serie geplant waren, wurden die Sonden zunächst mit Mariner 11 und 12 bezeichnet. Diese Bezeichnung wurde später aufgrund der großen strukturellen Unterschiede der Sonden fallengelassen. Bis zum März 1975 war die Konzeptphase abgeschlossen, und der Bau der beiden Sonden begann.

Missionsziele

Modell der Voyager-Sonde

Ursprüngliche Missionsziele

Die Voyager-Sonden hatten keinen besonderen Forschungsschwerpunkt. Da es zu diesem Zeitpunkt erst wenige Erkenntnisse über die äußeren Planeten gab, sollte dieses Wissen ausgebaut werden. Daher waren die ursprünglichen Missionsziele relativ weit gefasst:

• Untersuchung der Atmosphäre von Jupiter und Saturn im Hinblick auf Zirkulation, Struktur und Zusammensetzung
• Analyse der Geomorphologie, Geologie und Zusammensetzung der Monde
• genauere Bestimmung der Masse, Größe und Form der Planeten, aller Monde und Ringe
• Untersuchung diverser Magnetfelder im Hinblick auf ihre Feldstruktur
• Analyse der Zusammensetzung und Verteilung von geladenen Teilchen und Plasma
• besonders genaue Untersuchungen der Monde Io (Jupiter) und Titan (Saturn).

Derzeitige interstellare Mission

Während Voyager 2 von Saturn aus weiter in Richtung Uranus und Neptun flog, befindet sich Voyager 1 seit der Passage des Saturn auf dem Weg in die äußeren Bereiche des Sonnensystems und in den interstellaren Raum. Am 1. Januar 1990 begann mit der „Voyager Interstellar Mission“ (VIM) die letzte Phase der Erkundungsmission.

Aktuell untersucht Voyager 1 folgende Phänomene:

• die Stärke und Ausrichtung des Magnetfeldes der Sonne
• die Zusammensetzung, die Richtung und die Energiespektren von Sonnenwind und kosmischer Strahlung
• die Stärke von Radiowellen, die vermutlich aus der Heliopause stammen
• die Verteilung von Wasserstoff im Bereich der äußeren Heliopause.

Das Programm kam mehrmals aus Budgetgründen in Bedrängnis, da der Betrieb der Sonde pro Jahr mehrere Millionen US-Dollar kostet (Personal, DSN-Zeit usw.). Internationale Proteste und die besondere Stellung von Voyager 1 und Voyager 2 verhinderten stets die komplette Einstellung des Programms, wobei einige Budgetkürzungen hingenommen werden mussten.

Die Sonde und ihre wissenschaftlichen Instrumente

Aufbau von Voyager 1

Voyager 1 ist eine mehrere Meter große und ca. 800 kg schwere Raumsonde. Sie besteht im Wesentlichen aus einer zentralen, ringförmigen Aluminiumzelle (Durchmesser ca. 1,80 m), die im Querschnitt zehneckig ist und einen Großteil der Elektronik beherbergt, einer Parabolantenne (Durchmesser ca. 3,6 m) und einem 2,5 m langen Ausleger, der den Großteil der wissenschaftlichen Instrumente trägt. Die Energie stammt aus drei Radionuklidbatterien. Voyager 1 und Voyager 2 sind baugleich.

Ablauf der Mission

Flugbahn

Start

Start von Voyager 1

Voyager 1 wurde am 5. September 1977 – 16 Tage nach ihrer Schwestersonde Voyager 2 – vom Launch Complex 41 auf Cape Canaveral mit einer Titan-IIIE-Centaur-Rakete gestartet. 13 Tage nach dem Start begann eine 30-tägige Testphase für die Bordsysteme und wissenschaftlichen Instrumente, die erfolgreich verlief. Aufgrund der etwas höheren Startgeschwindigkeit (15,0 km/s gegenüber 14,5 km/s) überholte Voyager 1 ihre Schwestersonde schon am 15. Dezember in einer Entfernung von 1,75 AE. Während des Großteils des Fluges befand sich die Sonde im Standby-Modus. Nur alle zwei Monate gab es eine 20-stündige Wissenschaftsphase, in der der Sternenhimmel untersucht wurde und die Teilchenmessgeräte eingeschaltet wurden.

Erkundung des Jupiters

Durch ihren Geschwindigkeitsvorteil kam Voyager 1 zuerst im Jupiter-System an. Die wissenschaftlichen Beobachtungen begannen am 14. Dezember 1978, 80 Tage vor dem Vorbeiflug am Planeten.

Die Hauptphase der Untersuchung begann am 4. März 1979, als die Sonde nur noch einen Tag vom Jupiter entfernt war. Neben dem Planeten selbst und seinen Ringen wurde auch der Mond Io untersucht, dem sich die Sonde am 5. März auf bis zu 18.460 km näherte. Noch am selben Tag wurden Ganymed in einer Entfernung von 112.030 km und Europa in einer Distanz von 732.270 km untersucht. Am nächsten Tag näherte sich Voyager 1 dem letzten zu untersuchenden Mond Kallisto auf bis zu 123.950 km an. Die Sonde passierte die vier großen Monde des Jupiters in nur 30 Stunden. Insgesamt wurden während der Untersuchung des Jupitersystems 17.477 Bilder mit der maximalen Datenrate von 115,2 kbit/s übertragen.

Voyager 1 wurde von Jupiter auf etwa 16 km/s beschleunigt. Dabei mussten 5 kg Hydrazin für Kurskorrekturen verwendet werden. Kurz nachdem Voyager 1 die letzten Bilder gesendet hatte, traf Voyager 2 am 25. April im System ein und setzte die Beobachtungen fort. Somit wurde Jupiter über einen Zeitraum von knapp sieben Monaten beobachtet, was zu vielen neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen führte.

Voyager 1 entdeckte beim Durchfliegen des Systems zwei neue Monde, Metis und Thebe, sowie den schwach ausgeprägten Planetenring um Jupiter, dessen Existenz bereits nach der Pioneer-11-Mission vermutet worden war. Auf Io entdeckte Voyager 1 neun aktive Vulkane. Nach dem Vorbeiflug an Jupiter erkannte man auf dessen Nachtseite noch aus Millionen von Kilometern Entfernung Blitze, was auf äußerst heftige Gewitter innerhalb der Jupiteratmosphäre hindeutete.

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  Jupiter­annä­he­rung (Dauer: 25 Erdtage, 27 Mio. km Strecke)

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  Jupiter in Echt­far­ben

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  Jupiters Großer Roter Fleck in Falschfarben

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  Ausbruch eines Vulkans auf Io

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  Nahauf­nahme eines aktiven Vul­kans auf Io (inkl. Lava­strömen)

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  Aufnahme von Kalli­stos „Valhalla-Krater“

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  Niedrig aufge­löste Auf­nahme vom Mond Amal­thea

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  Der Mond Gany­med

Erkundung des Saturns

Am 10. November 1980 traf Voyager 1 im Kernbereich des Saturn-Systems ein, neun Monate vor ihrer Schwestersonde. Am nächsten Tag wurde der Mond Titan untersucht. Man hatte bereits vor der Mission von der Methan-Atmosphäre gewusst, und einige Wissenschaftler hielten es für denkbar, dass der Treibhauseffekt eventuell Leben auf der Oberfläche ermöglichen konnte. Aber bereits auf größere Distanz erkannte man die homogene Smogwolke des Mondes, die eine Untersuchung der Oberfläche unmöglich machte. Daher wurden das IRIS- und das UVS-Instrument auf den Rand der Atmosphäre ausgerichtet, um wenigstens diese genau analysieren zu können. Trotz der damals nicht untersuchbaren Oberfläche von Titan konnten über seine Atmosphäre einige neue Erkenntnisse gewonnen werden. Neben dem großen Anteil von Stickstoff wurden auch Spuren von Methan, Ethen und anderen Kohlenwasserstoffen entdeckt. Die Atmosphäre selbst wurde als sehr ausgedehnt und dicht erkannt, jedoch deutlich zu kalt für Leben. Diese Erkenntnisse machten den Mond zum primären Ziel der 1997 gestarteten Sonde Cassini-Huygens.

Nach dem Passieren des Saturns begann eine der anspruchsvollsten Phasen der Mission. Da die anderen zu untersuchenden Monde einen Orbit sehr nahe bei Saturn hatten, mussten alle drei Monde (Mimas, Dione und Rhea) sowie der ausgeprägte Planetenring innerhalb von nur zehn Stunden untersucht werden, was die Scanplattform an ihre technischen Grenzen brachte. Die Datenrate war unterdessen aufgrund der inzwischen erreichten Entfernung zur Erde auf 44,8 kbit/s gesunken, wobei schon wesentlich früher mit der Übertragung begonnen wurde als bei Jupiter, da Saturn mit Ringsystem deutlich größer ist. Im Endeffekt wurden ungefähr gleich viele Bilder gemacht wie bei Jupiter.

Es wurden zahlreiche neue Monde von geringer Größe an den Rändern der Ringe gefunden. Auch bei den Lagrange-Punkten der Monde wurden einige weitere Begleiter entdeckt. Dieses Phänomen war bei Planeten schon bekannt (auch Saturn folgen bei ±60° einige Planetoiden), war aber bei Monden eine Neuheit. Voyager 1 zeigte auch, dass der Planetenring von Saturn nicht homogen ist und aus vielen einzelnen Ringen besteht. Da Voyager 1 für eine genauere Untersuchung der Saturnringe keine günstige Flugbahn beschrieb und das PPS-Instrument ausgefallen war, wurde die Flugbahn der folgenden Voyager 2 umprogrammiert, um die Ringe aus einer besseren Bahn analysieren zu können.

Beim Vorbeiflug an Saturns Südpol schwenkte die Sonde auf ihre endgültige, in einem Winkel von 35° zur Ekliptik stehende Bahn ein.

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  Saturn aus 5,3 Mio. km Entfernung

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  Saturn in Falsch­farben

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  Saturns Ringe im Detail

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  Der Mond Mimas mit seinem cha­rak­te­ris­ti­schen Herschel-Ein­schlags­krater

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  Der Mond Dione

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  Titans Atmo­sphäre

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  Flugbah­nen von Voyager 1 und 2 im Saturn-System

Familienporträt und Pale Blue Dot

Das sogenannte Familien­porträt, aufgenommen von Voyager 1 im Jahr 1990

Aufnahme der Erde durch Voyager 1 aus 6,4 Mrd. Kilometern: Pale Blue Dot

Am 14. Februar 1990 wurde das ISS-Instrument ein letztes Mal für die Erstellung eines einzigartigen Fotomosaiks aktiviert, das sechs Planeten des Sonnensystems in Farbe zeigt. Wissenschaftlich hatte es keinen größeren Wert, aber es inspirierte viele Wissenschaftler und Laien: das sogenannte Familienporträt.

Besonders die Aufnahme der Erde, genannt Pale Blue Dot, erregte viel Aufmerksamkeit und wurde 2001 zu einem der zehn besten Fotos der Weltraumwissenschaften gewählt. Es ist bis heute das Foto, das die Erde aus der größten Distanz (6,4 Mrd. km) aufgenommen zeigt.^[4]

Interstellare Mission

Position der Voyager-Sonden

Veränderung der Teilchendichten (>0,5 MeV und >70 MeV pro Nukleon) am Termination Shock und an der Heliopause

Während Voyager 2 von Saturn aus weiter in Richtung Uranus und Neptun flog, befindet sich Voyager 1 seit der Saturnpassage auf dem Weg zu den äußeren Bereichen des Sonnensystems und in den interstellaren Raum. Am 1. Januar 1990 begann die letzte Phase der Mission: die „Voyager Interstellar Mission“ (VIM). Im Februar 1998 „überholte“ Voyager 1 die Sonde Pioneer 10 und ist seitdem das am weitesten entfernte Objekt, das von Menschen geschaffen wurde, wie auch dasjenige mit der höchsten Entweichgeschwindigkeit im Sonnensystem.

Im Zeitraum zwischen August 2002 und Februar 2003 maßen die Partikelsensoren fortwährend ungewöhnliche Werte, weswegen man vermutete, dass sich Voyager 1 dem vorläufigen Ziel ihrer Reise näherte: dem großen, äußeren Bereich der Heliosphäre, genannt „Heliosheath“. In diesem Bereich vermischen sich die Partikel des Sonnenwindes mit interstellarer Materie und bewegen sich mit verminderter Strömungsgeschwindigkeit. In das Vorfeld der Heliosheath, genannt Termination Shock, trat die Sonde am 16. Dezember 2004 in einer Entfernung von 94 AE (etwa 14,1 Mrd. km) ein. Dies erkannte man unter anderem an dem massiv langsamer werdenden Sonnenwind und der abrupt wechselnden Richtung des Magnetfeldes, das auch um 150 % stärker wurde. Außerdem registrierte man eine Zunahme an schweren Ionen und erfasste bisher nicht registrierte Radiostrahlung.

Am 24. Mai 2005 meldete das JPL schließlich, dass die Sonde nun die Heliosheath erreicht hatte. Am 23. Dezember 2009 gab die NASA bekannt, dass die Daten der Voyager-Magnetometer auf ein starkes Magnetfeld außerhalb des Sonnensystems hinweisen.^[5] Diese Entdeckung lieferte die lang gesuchte Erklärung dafür, warum die Lokale Interstellare Wolke sich nicht auflöst: Die Wolke ist stark magnetisiert und wird deshalb von dem Feld zusammengehalten.

Im Frühjahr 2010 wurden weitere Indizien für die Annäherung der Sonde an die Heliopause gefunden.^[6] Diese stützen sich auf die Daten des LECP-Instruments, das eine starke Abbremsung des Sonnenwindes registrierte: Die Geschwindigkeit des Windes relativ zur Sonde betrug im Messzeitraum fast null (relativ zur Sonne also ca. 17 km/s), was eine Verringerung des Einflusses der Sonne bedeutet.

Mit Hilfe des MAG-Instruments konnte Voyager die Struktur des Sonnen-Magnetfeldes am Rande des Sonnensystems durch direkte Messungen analysieren. Seit 2007 befindet sich die Sonde in einer Region, in der das Feld nicht mehr stabil ist, sondern in mehrere magnetische Blasen mit einem Durchmesser von etwa 160 Mio. Kilometern aufgeteilt ist.^[7] Im Juni 2011 verkündete die NASA, dass der Grund hierfür wahrscheinlich die Rotation der Sonne ist. Hierdurch wird auch ihr Magnetfeld bewegt und gefaltet, was in der äquatorialen Ebene am Rande des Sonnensystems zu einer großen Zahl von Rekonnexionen und somit zur „schaumartigen“ Struktur des Feldes führt.^[7] Beginnend am 25. August 2012 kam es zu einem starken Abfall der von der Sonde gemessenen (in Wechselwirkung mit dem Sonnenwind entstehenden) anomalen kosmischen Strahlung (engl. ACR) und einem deutlichen Anstieg der galaktischen kosmischen Strahlung (engl. GCR).^[8][9] Einige Beobachter^[10] schlossen hieraus, dass Voyager 1 die Heliosphäre verlassen haben könnte. Am 3. Dezember 2012 berichtete die NASA, dass Voyager 1 die Magnetautobahn (englisch {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value)), den Rand der Heliosphäre, erreicht habe.^[11] Am 12. September 2013 wurden neue Datenanalysen veröffentlicht, die zeigen, dass Voyager 1 die Heliosphäre bereits Ende 2012 verlassen hat und sich als erstes vom Menschen erzeugtes Objekt im interstellaren Raum befindet.

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  Schema der Helio­sphäre mit den beiden Sonden Voyager 1 und 2

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  Alte (links) und neue (rechts) Vorstellung vom Magnetfeld der Sonne

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  Position und Kurs von Voyager 1 (rot) und Voyager 2 am 15. Februar 2009 aus drei verschie­denen Perspek­tiven

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  Sonnensystem und der inter­stellare Raum bis Alpha Centauri – Größenver­hältnisse in logarithmischer Skala

Zukunft

In etwa 40.000 Jahren wird Voyager 1 den aktuell rund 17 Lichtjahre von der Sonne entfernten Stern Gliese 445 (Sternbild Giraffe) passieren.^[12] Gliese 445 wird zu diesem Zeitpunkt nur noch 3,45 Lichtjahre von der Sonne entfernt sein, da er sich mit hoher Geschwindigkeit auf uns zu bewegt.^[13]

Aktueller Status

Energieversorgung

Der Hydrazin-Treibstoff für die Lageregelung wird noch mindestens für die nächsten 40 Jahre ausreichen. Wesentlich kritischer ist die Energieversorgung: Aufgrund des fortschreitenden radioaktiven Kernzerfalls in den Radionuklidbatterien sowie der Abnutzung der thermoelektrischen Elemente sinkt die zur Verfügung stehende elektrische Leistung um etwa 1,4 % pro Jahr. Daher wurden bereits viele Instrumente und deren Heizelemente abgeschaltet. Um 2025 wird man das letzte wissenschaftliche Instrument deaktivieren müssen.

Sonde

• Entfernung von der Erde: ca. 140 AE (Stand: 5. September 2017)^[14]
• Geschwindigkeit relativ zur Sonne: ca. 17 km/s bzw. 3,6 AE/Jahr (Stand: 5. September 2017)^[15]
• Zurückgelegte Strecke: 26.920.000.000 km = 179,95 AE (Stand: 16. Januar 2015)^[16]
• Verbleibender Treibstoff: 17,38 kg (Stand: 16. Januar 2015)^[16]
• Leistung der Radionuklidbatterien: 254,6 W (etwa 46 % Leistungsverlust) (Stand: 16. Januar 2015)^[16]
• Datenrate Echtzeit: 160 bit/s (mit 34-m-Antennen des DSN)^[12]
• Datenrate maximal (alle 6 Monate): 1,4 kbit/s (mit 70-m-Antennen des DSN)^[12]

Bisherige wichtige Etappen der Mission und theoretisch zukünftiger Flugverlauf der Sonde

Instrumente

Stand: 2017^[17]

Voyager Golden Record

Voyager Golden Record

Voyager 1 führt eine Datenplatte aus Kupfer mit sich, die als Schutz vor Korrosion mit Gold überzogen ist, die sogenannte „Voyager Golden Record“. Auf ihr sind Bild- und Audio-Informationen über die Menschheit gespeichert. Auf der Vorderseite befinden sich unter anderem eine Art Gebrauchsanleitung und eine Karte, die die Position der Sonne in Relation zu 14 Pulsaren anzeigt.^[18]

Populärkulturelle Rezeption

Voyager 1 und ihre Schwestersonde Voyager 2 zogen besonders während ihrer frühen Missionsphase, auch in der breiten Öffentlichkeit, viel Aufmerksamkeit auf sich. Dies ist vor allem auf das außergewöhnliche Missionsprofil (insbesondere im Hinblick auf die zurückgelegten Entfernungen) und die für damalige Verhältnisse qualitativ sehr hochwertigen Farbaufnahmen vielfältiger Motive zurückzuführen. Auch die Idee des Sendens einer „Botschaft ins All“ mittels der Voyager Golden Record-Platte erregte große Aufmerksamkeit.

Siehe auch

• Interstellare Raumfahrt
• Voyager 2

Literatur

• Ben Evans: NASA's Voyager Missions. Springer-Verlag, London 2004, ISBN 1-85233-745-1. 
• Reiner Klingholz: Voyagers Grand Tour. Smithsonian Institute Press, 2003, ISBN 1-58834-124-0. 
• Paul Weissman, Alan Harris: The Great Voyager Adventure: A Guided Tour Through the Solar System. Julian Messner, 1990, ISBN 0-671-72538-6. 
• William E. Burrows: Mission to Deep Space: Voyager's Journey of Discovery. W. H. Freeman & Co. Ltd., 1993, ISBN 0-7167-6500-4. 
• Reiner Klingholz: Marathon im All: Die einzigartige Reise des Raumschiffes Voyager 2. Westerman, Braunschweig 1989, ISBN 3-07-509233-9. 

Weblinks

Commons: Voyager 1 – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Commons: Voyager-Programm – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Ausführliche technische Beschreibung der Voyager-Sonden
• Status der Voyager-Sonden (englisch)
• Nasa Images Voyager
• NSSDC Information Voyager 1 (National Space Science Data Center)
• Angaben zur Entfernung von Voyager 1 von der Sonne und zur Richtung. Die Tabelle gibt als Datum das Jahr und den Tag im Jahr an. NASA-Webseite für den Datenabruf ist hier zu finden.

Einzelnachweise

Dieser Artikel wurde am 20. März 2009 in dieser Version in die Liste der lesenswerten Artikel aufgenommen.