Starke Eruptionen, atemberaubende Ausblicke auf die Pole der Sonne und ein kurioser Solarer Igel gehören zu den spektakulären Bildern, Filmen und Daten, die Solar Orbiter von seiner ersten Annäherung an die Sonne geliefert hat. Eine Information der Europäischen Weltraumorganisation (ESA).
Quelle: ESA 18. Mai 2022.
18. Mai 2022 – Obwohl die Analyse des neuen Datensatzes gerade erst begonnen hat, ist bereits jetzt klar, dass die von der ESA geleitete Mission die außergewöhnlichsten Einblicke in das magnetische Verhalten der Sonne liefert und auf die Art und Weise, wie die Sonne das Weltraumwetter beeinflusst.
Die größte Annäherung von Solar Orbiter an die Sonne, das sogenannte Perihel, fand am 26. März 2022 statt. Die Sonde befand sich innerhalb der Umlaufbahn des Merkurs, etwa ein Drittel so weit von der Sonne entfernt wie die Erde, und ihr Hitzeschild erreichte etwa 500 °C. Diese Hitze wurde jedoch mit einer innovativen Technologie abgeleitet, um die Sicherheit und den Betrieb des Raumfahrzeugs zu gewährleisten.
Solar Orbiter ist mit zehn wissenschaftlichen Instrumenten ausgestattet, von denen neun von den ESA-Mitgliedstaaten und eines von der NASA geleitet werden. Bei einigen handelt es sich um Fernerkundungsinstrumente, wie Kameras, die die Sonne beobachten, während andere Instrumente die Bedingungen in der Umgebung der Raumsonde überwachen und es den Wissenschaftlern ermöglichen, den Zusammenhang zwischen dem, was sie auf der Sonne sehen, und dem, was Solar Orbiter an seinem Standort im Sonnenwind in Millionen von Kilometern Entfernung „fühlt“, herzustellen.
Je näher die Raumsonde der Sonne kommt, desto feinere Details können die Fernerkundungsinstrumente erkennen. Und wie es der Zufall will, hat die Sonde mehrere Sonneneruptionen und sogar einen auf die Erde gerichteten koronalen Massenauswurf aufgenommen und damit einen Vorgeschmack auf die Weltraumwettervorhersage in Echtzeit gegeben – ein Unterfangen, das angesichts der Bedrohung, die das Weltraumwetter für Technologie und Astronauten darstellt, immer wichtiger wird.
Der Solare Igel stellt sich vor
„Die Bilder sind wirklich atemberaubend”, sagt David Berghmans vom Königlichen Observatorium von Belgien und leitender Forscher des EUI-Instruments (Extreme Ultraviolet Imager), das hochauflösende Bilder der unteren Schichten der Sonnenatmosphäre, der sogenannten Sonnenkorona, aufnimmt. In dieser Region findet der Großteil der Sonnenaktivität statt, die das Weltraumwetter bestimmt.
Die Aufgabe des EUI-Teams besteht nun darin, zu verstehen, was sie sehen. Dies ist keine leichte Aufgabe, da Solar Orbiter so viel Aktivität auf der Sonne im kleinen Maßstab aufdeckt. Wenn die Wissenschaftler*innen ein Merkmal oder ein Ereignis entdeckt haben, das sie nicht auf Anhieb erkennen können, müssen sie frühere Sonnenbeobachtungen anderer Weltraummissionen durchforsten, um herauszufinden, ob etwas Ähnliches schon einmal gesehen wurde.
„Selbst wenn Solar Obiter morgen aufhören würde, Daten zu erfassen, wäre ich noch jahrelang damit beschäftigt, all diese Dinge herauszufinden”, sagt David Berghmans.
Ein besonders auffälliges Merkmal wurde während dieses Periheliums beobachtet. Bis jetzt hat er den Spitznamen „Hedgehog (Igel)“ erhalten. Er erstreckt sich 25.000 Kilometer quer über die Sonne und hat eine Vielzahl von Spitzen aus heißem und kälterem Gas, die sich in alle Richtungen erstrecken.
Die Punkte verbinden
Das wichtigste wissenschaftliche Ziel von Solar Orbiter ist die Erforschung der Verbindung zwischen der Sonne und der Heliosphäre. Die Heliosphäre ist die große „Blase” des Weltraums, die sich über die Planeten unseres Sonnensystems hinaus erstreckt. Sie ist mit elektrisch geladenen Teilchen gefüllt, von denen die meisten von der Sonne ausgestoßen wurden und den Sonnenwind bilden. Es sind die Bewegungen dieser Teilchen und die damit verbundenen solaren Magnetfelder, die das Weltraumwetter erzeugen.
Um die Auswirkungen der Sonne auf die Heliosphäre zu erfassen, müssen die Ergebnisse der In-situ-Instrumente, die die Partikel und Magnetfelder aufzeichnen, die über die Raumsonde hinwegfliegen, zu den Ereignissen auf oder nahe der sichtbaren Oberfläche der Sonne zurückverfolgt werden, die von den Fernerkundungsinstrumenten erfasst werden.
Dies ist keine leichte Aufgabe, da die magnetische Umgebung der Sonne sehr komplex ist, aber je näher die Raumsonde an die Sonne herankommt, desto weniger kompliziert ist es, die Teilchenereignisse entlang der „Autobahnen” der Magnetfeldlinien zur Sonne zurückzuverfolgen. Das erste Perihel war ein wichtiger Test dafür, und die bisherigen Ergebnisse sehen sehr vielversprechend aus.
Am 21. März 2022, einige Tage vor dem Perihel, fegte eine Wolke energetischer Teilchen über die Raumsonde hinweg. Es wurde mit dem Energetic Particle Detector (EPD, Energetischer Partikeldetektor) nachgewiesen. Es ist bezeichnend, dass die energiereichsten von ihnen zuerst ankamen, gefolgt von denen mit immer niedrigeren Energien.
„Das deutet darauf hin, dass die Partikel nicht in der Nähe der Raumsonde erzeugt werden”, sagt Javier Rodríguez-Pacheco von der Universität Alcalá, Spanien, und Leiter des EPD. Stattdessen wurden sie in der Sonnenatmosphäre, näher an der Sonnenoberfläche, erzeugt. Bei der Durchquerung des Raums zogen die schnelleren Teilchen den Langsameren voraus, wie Läufer bei einem Sprint.
Am selben Tag sah das Radio and Plasma Waves (RPW)-Experiment sie kommen, indem es die starke charakteristische Schwingung von Radiofrequenzen auffing, die erzeugt wird, wenn beschleunigte Teilchen – meist Elektronen – entlang der Magnetfeldlinien der Sonne nach außen wandern. RPW entdeckte dann Schwingungen, die als Langmuir-Wellen bekannt sind. „Sie sind ein Zeichen dafür, dass die energiereichen Elektronen bei der Raumsonde angekommen sind”, sagt Milan Maksimovic, LESIA, Observatoire de Paris, Frankreich und RPW PI.
Von den Fernerkundungsinstrumenten sahen sowohl EUI als auch das Röntgenspektrometer/Teleskop (STIX) Ereignisse auf der Sonne, die für die Freisetzung der Teilchen verantwortlich gewesen sein könnten. Während die Teilchen, die nach außen in den Weltraum strömen, diejenigen sind, die EPD und RPW entdeckt haben, ist es wichtig, daran zu denken, dass andere Teilchen von dem Ereignis nach unten wandern und auf die unteren Schichten der Sonnenatmosphäre treffen können. Hier kommt STIX ins Spiel.
Während das EUI-Instrument das ultraviolette Licht sieht, das am Ort des Flares in der Sonnenatmosphäre freigesetzt wird, sieht STIX die Röntgenstrahlung, die entsteht, wenn die durch den Flare beschleunigten Elektronen mit den Atomkernen in den unteren Schichten der Sonnenatmosphäre wechselwirken.
Wie genau diese Beobachtungen zusammenhängen, müssen die Teams nun untersuchen. Die Zusammensetzung der vom EPD entdeckten Teilchen deutet darauf hin, dass sie wahrscheinlich eher durch einen koronalen Schock als durch eine impulsive Eruption beschleunigt wurden.
„Es könnte sein, dass sie mehrere Beschleunigungsstellen haben”, sagt Samuel Krucker, FHNW, Schweiz, und leitender Wissenschaftler für STIX.
Hinzu kommt, dass das Magnetometer-Instrument (MAG) zu diesem Zeitpunkt keine nennenswerten Werte anzeigte. Dies ist jedoch nicht ungewöhnlich. Die anfängliche Eruption von Teilchen, die als koronaler Massenauswurf (CME) bekannt ist, trägt ein starkes Magnetfeld, das MAG leicht registrieren kann, aber energetische Teilchen aus dem Ereignis reisen viel schneller als der CME und können schnell große Volumina des Raums füllen und daher von Solar Orbiter entdeckt werden. „Aber wenn der CME die Raumsonde verfehlt, wird MAG keine Signatur sehen”, sagt Tim Horbury, Imperial College, UK, und MAG PI.
Was das Magnetfeld betrifft, so beginnt alles an der sichtbaren Oberfläche der Sonne, der so genannten Photosphäre. An dieser Stelle bricht das intern erzeugte Magnetfeld in den Raum aus. Um zu wissen, wie das aussieht, trägt Solar Orbiter das Instrument Polarimetric and Helioseismic Imager (PHI). So kann man die magnetische Nord- und Südpolarität der Photosphäre sowie die Wellen auf der Sonnenoberfläche erkennen, die von seismischen Wellen verursacht werden, die sich durch das Innere der Sonne bewegen.
„Wir liefern die Magnetfeldmessungen an der Oberfläche der Sonne. Dieses Feld dehnt sich dann aus, geht in die Korona über und treibt im Grunde all das Funkeln und die Aktivitäten an, die man dort oben sieht”, sagt Sami Solanki vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen, Deutschland, und der PI des PHI.
Ein weiteres Instrument, das Spectral Imaging of the Coronal Environment (SPICE), zeichnet die Zusammensetzung der Korona auf. Diese „Häufigkeitskarten” können mit den Inhalten des Sonnenwindes verglichen werden, die das Instrument Solar Wind Analyser (SWA) ermittelt.
„Damit können wir die Entwicklung der Zusammensetzung des Sonnenwindes von der Sonne bis zur Raumsonde verfolgen, was uns Aufschluss über die Mechanismen gibt, die für die Beschleunigung des Sonnenwindes verantwortlich sind”, sagt Frédéric Auchère, Leiter von SPICE, Institut d’Astrophysique Spatiale, Frankreich.
Vorhersage des Weltraumwetters
Durch die Kombination der Daten aller Instrumente wird das Wissenschaftsteam in der Lage sein, die Geschichte der Sonnenaktivität von der Oberfläche der Sonne bis hin zum Solar Orbiter und darüber hinaus zu erzählen. Und genau dieses Wissen wird den Weg für ein zukünftiges System ebnen, das die Weltraumwetterbedingungen auf der Erde in Echtzeit vorhersagen kann. Im Vorfeld des Perihels bekam Solar Orbiter sogar einen Vorgeschmack darauf, wie ein solches System funktionieren könnte.
Central Sun image: ESA & NASA/Solar Orbiter/EUI team; corona imagery: SOHO (ESA & NASA); Solar Orbiter data: ESA & NASA/Solar Orbiter/MAG & SWA Teams; Wind data: NASA/GSFC/Wind Aurora: J Bant Sexson IV)
Das Raumschiff flog stromaufwärts zur Erde. Diese einzigartige Perspektive bedeutete, dass sie die Bedingungen des Sonnenwindes beobachtete, der einige Stunden später auf die Erde treffen würde. Da die Sonde in direktem Kontakt mit der Erde stand und ihre Signale mit Lichtgeschwindigkeit übertragen wurden, trafen die Daten innerhalb weniger Minuten auf dem Boden ein und konnten analysiert werden. Wie es der Zufall wollte, wurden zu dieser Zeit mehrere CMEs entdeckt, von denen einige direkt auf die Erde zuflogen.
Am 10. März 2022 fegte ein CME über die Raumsonde hinweg. Anhand der Daten von MAG konnte das Team vorhersagen, wann er die Erde treffen würde. Die Ankündigung dieser Nachricht in den sozialen Medien ermöglichte es den Himmelsbeobachtern, sich auf das Polarlicht vorzubereiten, das etwa 18 Stunden später zur vorhergesagten Zeit eintraf.
Diese Erfahrung gab Solar Orbiter einen Vorgeschmack darauf, wie es ist, das Weltraumwetter auf der Erde in Echtzeit vorherzusagen. Ein solches Vorhaben wird immer wichtiger, da das Weltraumwetter eine Gefahr für die Technologie, Astronautinnen und Astronauten darstellt.
Die ESA plant derzeit eine Mission mit dem Namen ESA Vigil, die auf einer Seite der Sonne stationiert sein wird und den Bereich des Weltraums bis zur Erde beobachten soll. Ihre Aufgabe wird es sein, CMEs abzubilden, die durch diese Region reisen, insbesondere solche, die auf unseren Planeten zusteuern. Während des Periheliums wurde Solar Orbiter so positioniert, dass seine Instrumente Metis und SoloHI genau diese Art von Bildern und Daten liefern konnten.
Metis nimmt Bilder der Korona von 1,7–3 Sonnenradien auf. Indem er die helle Sonnenscheibe ausblendet, sieht er die schwächere Korona. „Es liefert dieselben Details wie die bodengestützte Beobachtung einer totalen Sonnenfinsternis, aber anstelle von ein paar Minuten kann Metis kontinuierlich beobachten”, sagt Marco Romoli von der Universität Florenz, Italien, und PI für Metis.
SoloHI zeichnet Bilder des Sonnenlichts auf, das von den Elektronen im Sonnenwind gestreut wird. Eine bestimmte Eruption am 31. März schaffte es in die X-Klasse, die energiereichsten bekannten Sonneneruptionen. Die Daten sind noch nicht ausgewertet worden, da ein Großteil der Daten noch auf der Sonde verbleibt und heruntergeladen werden muss. Jetzt, da Solar Orbiter weiter von der Erde entfernt ist, hat sich die Datenübertragungsrate verlangsamt, und die Forscher müssen sich gedulden – aber sie sind mehr als bereit, mit ihrer Analyse zu beginnen, wenn die Daten ankommen.
„Wir sind immer an den großen Ereignissen interessiert, weil sie die stärksten Reaktionen und die interessanteste Physik hervorrufen, weil man die Extreme betrachtet”, sagt Robin Colaninno, U.S. Naval Research Laboratory, Washington DC, und SoloHI PI.
In Kürze
Es besteht kein Zweifel daran, dass die Instrumententeams nun eine Menge Arbeit vor sich haben. Das Perihel war ein großer Erfolg und hat eine große Menge an außergewöhnlichen Daten hervorgebracht. Und das ist nur ein Vorgeschmack auf das, was noch kommen wird. Schon jetzt rast die Sonde durch den Weltraum, um sich für ihren nächsten – etwas näheren – Perihelvorbeiflug am 13. Oktober 2022 in der 0,29-fachen Entfernung Erde-Sonne aufzustellen. Davor, am 4. September 2022, wird er seinen dritten Vorbeiflug an der Venus machen.
Solar Orbiter hat bereits die ersten Bilder von den weitgehend unerforschten Polarregionen der Sonne aufgenommen, aber es wird noch viel mehr kommen.
Am 18. Februar 2025 wird Solar Orbiter zum vierten Mal der Venus begegnen. Dadurch erhöht sich die Neigung der Umlaufbahn der Sonde auf etwa 17 Grad. Mit dem fünften Venusvorbeiflug am 24. Dezember 2026 wird sich dieser Winkel noch weiter auf 24 Grad erhöhen, was den Beginn der „High-Latitude“-Mission markieren wird.
In dieser Phase wird Solar Orbiter die Polarregionen der Sonne so direkt wie nie zuvor sehen. Solche Sichtlinienbeobachtungen sind der Schlüssel zur Entschlüsselung der komplexen magnetischen Umgebung an den Polen, die wiederum das Geheimnis des 11-Jahres-Zyklus der zunehmenden und abnehmenden Aktivität der Sonne bergen könnte.
„Wir sind von der Qualität der Daten unseres ersten Perihels begeistert”, sagt Daniel Müller, ESA-Projektwissenschaftler für Solar Orbiter, „Es ist kaum zu glauben, dass dies erst der Anfang der Mission ist. Wir werden in der Tat sehr beschäftigt sein.“
Über Solar Orbiter
Solar Orbiter ist eine Weltraummission in internationaler Zusammenarbeit zwischen ESA und NASA.
Frühere Perihelien fanden am 15. Juni 2020 (0,52 AE), 10. Februar 2021 (0,49 AE) und 12. September 2021 (0,59 AE) statt. Das Perihel vom 26. März 2022 bei 0,32 AE gilt als das erste einer Reihe von nahen Perihelien. Der nächste, am 13. Oktober 2022, wird bei 0,29 AE liegen. Es gibt 2–3 Perihelien pro Jahr.
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