Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.

5. Mai 2022 – Etwa einen Monat vor Beginn seines Forschungsflugs in der Stratosphäre hat das Sonnenobservatorium Sunrise III an seinem Startplatz am Polarkreis zum ersten Mal auf die Sonne geschaut. Im Juni wird es vom Esrange Space Center, der Ballon- und Raketenbasis der Schwedischen Weltraumagentur SSC im nordschwedischen Kiruna, auf eine Höhe von etwa 35 Kilometern steigen und während des mehrtägigen Fluges einzigartige Messdaten von der Sonne aufnehmen. Prozesse in der Chromosphäre, der hochdynamischen Schicht zwischen der sichtbaren Oberfläche und der äußeren Atmosphäre der Sonne, werden so genauer als je zuvor sichtbar. Die verbleibenden Wochen bis zum Start nutzen die technischen und wissenschaftlichen Teams aus Deutschland, Spanien, Japan und den USA, um alle Systeme und die wissenschaftlichen Instrumente auf ihren Einsatz vorzubereiten. Zudem werden die Abläufe und der Betrieb des Observatoriums während des Flugs geübt.

Seit Anfang April dieses Jahres ist Esrange Space Center im nordschwedischen Kiruna Schauplatz der letzten Vorbereitungen für den Flug von Sunrise III. In Einzelteile zerlegt ist die gesamte Hardware einschließlich Gondel, Sonnenteleskop und wissenschaftlicher Instrumente in Lastwagen vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen dorthin gereist. Das MPS leitet die Mission. Seitdem sind die eisigen Temperaturen von bis zu -15 Grad Celsius und das Schneetreiben, das bei der Ankunft herrschte, verträglicheren Bedingungen gewichen. Das so genannte „First Light“, der erste Blick auf die Sonne, fand bei Temperaturen um den Gefrierpunkt statt.

„Der Start vom Polarkreis ist mit einem beträchtlichen logistischen Aufwand verbunden“, blickt Sunrise III-Projektmanager Dr. Andreas Korpi-Lagg vom MPS auf die letzten Monate zurück. Doch für den wissenschaftlichen Erfolg der Mission ist der abgelegene Startplatz im hohen Norden von entscheidender Bedeutung. Da die Sonne jenseits des Polarkreises im Sommer nicht untergeht, kann Sunrise III während des Fluges rund um die Uhr Messdaten aufzeichnen. Am Erdboden finden Sonnenforscherinnen und -forscher die besten Sichtbedingungen etwa auf Hawaii, auf den Kanarischen Inseln oder im US-amerikanischen Südwesten. Doch selbst während der besten Beobachtungssaison, üblicherweise im Frühsommer, sind dort die Messungen typischerweise auf wenige Stunden am Tag begrenzt.

Ein weiterer Vorzug von Sunrise III ist die Beobachtungshöhe. Ein riesiger, mit Helium gefüllter Ballon hebt das etwa sechs Meter hohe Observatorium beim Start bis in die Stratosphäre. In etwa 35 Kilometern Höhe trägt der Wind Observatorium und Ballon nach Westen. In dieser Höhe, die beinahe schon den Übergang zum Weltall markiert, ist die Atmosphäre so dünn, dass Luftturbulenzen die Sicht nicht trüben. Zudem hat das ballonfahrende Forschungsobservatorium dort Zugang zur ultravioletten Strahlung der Sonne, deren Großteil die Erdatmosphäre absorbiert. „Bessere Beobachtungsbedingungen bieten nur Raumsonden im Weltall“, so Projektleiter Prof. Dr. Sami Solanki, Direktor am MPS.

Vom Kran getragen
Beim „First Light“ in Kiruna verblieb Sunrise III am Boden. Der Meilenstein bietet nicht in erster Linie aussagekräftige Messdaten von der Sonne, sondern die Möglichkeit, alle Systeme mit natürlichem Sonnenlicht zu testen und zu kalibrieren. Als der Kran in der großen Halle, die dem Sunrise III-Team am Esrange Space Center als Wirkungsfeld dient, das sechs Tonnen schwere Observatorium einige Zentimeter angehoben hat, kann es losgehen. Das Hallentor öffnet sich; zum ersten Mal richtet sich die Gondel selbsttätig zur Sonne aus – ganz so, wie es auch während des Forschungsfluges erfolgen soll. Sonnenstrahlen fallen in das Teleskop und erreichen von dort die wissenschaftlichen Instrumente und das Bildstabilisierungssystem. Vor ihren Computerbildschirmen tiefer in der Halle verfolgen die wissenschaftlich-technischen Teams, wie die Systeme auf das Sonnenlicht reagieren.

Sunrise III ist mit drei wissenschaftlichen Instrumenten ausgestattet. Gemeinsam liefern sie umfassende Messdaten aus der Region knapp unterhalb der sichtbaren Sonnenoberfläche bis in die obere Chromosphäre, etwa 2000 Kilometer darüber. Dafür fangen sie das infrarote, sichtbare und ultraviolette Licht aus dieser Region ein und können so dynamische Prozesse und Magnetfelder sichtbar machen. Zudem enthält Sunrise III ein ausgeklügeltes System zur Bildstabilisierung. Es sorgt dafür, dass das Observatorium auch am schwankenden Ballon hochpräzise Daten aufzeichnet. Wollte ein Sportschütze ähnlich „wackelfrei“ schießen, müsste er sein Sportgerät so ruhig halten, dass der Schuss auf sieben Kilometern Entfernung um maximal die Dicke eines Haares abgelenkt wird.

Zwischenschicht mit gewaltigem Temperatursprung
Die Chromosphäre der Sonne liegt zwischen ihrer sichtbaren Oberfläche und ihrer äußeren Atmosphäre, der Korona. In dieser Verbindungsschicht vollzieht sich ein gewaltiger Temperatursprung: von den vergleichsweise mäßigen 6000 Grad Celsius an der Oberfläche bis zu 20.000 Grad Celsius. In den darüber gelegenen Schichten steigen die Temperaturen dann sogar auf ein Million Grad Celsius an. „Selbst nach Jahrzehnten moderner Sonnenforschung ist die Chromosphäre noch immer rätselhaft“, so Solanki. „Dort spielt sich eine Vielzahl von Prozessen ab, die die Korona mit Energie versorgen und die wir noch nicht im Einzelnen verstehen“, fügt er hinzu. Im Zusammenspiel erzeugen diese Prozesse nicht nur die unfassbar hohen Temperaturen der Korona, sondern ermöglichen auch die heftigen Eruptionen, in denen die Sonne immer wieder Teilchen und Strahlung ins All schleudert. Die Messdaten von Sunrise III werden die bisher beste Höhenauflösung aus der Chromosphäre liefern: Präziser als je zuvor wird es möglich sein, einzelne Vorgänge einer genauen Höhe über der Oberfläche zuzuordnen. „Mit Sunrise III können wir die Vorgänge in der Chromosphäre besser als je zuvor verfolgen“, so Sunrise III-Projektwissenschaftler Dr. Achim Gandorfer.

Bis der abenteuerliche Flug von Sunrise III beginnt und das Observatorium erste Messdaten sammelt, werden noch einige Wochen vergehen. In dieser Zeit werden alle Systeme in Betrieb genommen und die Abläufe während des Flugs geübt. „Der Flug dauert nur einige Tage. Da muss von Anfang an alles reibungslos funktionieren“, so Korpi-Lagg. Je nach Windgeschwindigkeit erreicht Sunrise III den unbewohnten Nordosten Kanadas nach etwa fünf bis sieben Tagen. Dort landet das Observatorium am Fallschirm.

Den genauen Starttermin bestimmt das Wetter. Bei Niederschlag kann Sunrise III nicht starten; zudem ist Windstille erforderlich. „Unsere Vorbereitungen laufen nach Plan. Anfang Juni sind wir startklar“, so Korpi-Lagg. Die letzte Phase des Abenteuers hat begonnen.

Das ballongetragene Sonnenobservatorium Sunrise III ist eine Mission des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS, Deutschland) und des Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins Universität (APL, USA). Sunrise III blickt mit Hilfe eines 1-Meter-Teleskops, dreier wissenschaftlicher Instrumente und eines Systems zur Bildstabilisierung aus der Stratosphäre auf die Sonne. Maßgeblich Mitwirkende an der Mission sind ein spanisches Konsortium, das National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ, Japan), und das Leibniz-Institut für Sonnenphysik (KIS, Deutschland). Das spanische Konsortium wird geleitet vom Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA, Spanien) und besteht zudem aus dem Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), der Universitat de València (UV), der Universidad Politécnica de Madrid (UPM) und dem Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). Weitere Partner sind das Wallop’s Flight Facility Balloon Program Office (WFF-BPO) der NASA und die Swedish Space Corporation (SSC). Sunrise III wird unterstützt von der Max-Planck-Förderstiftung, der NASA im Rahmen des Grants #80NSSC18K0934, dem spanischen Grant FEDER/AEI/MCIU (RTI2018-096886-C5) und des „Center of Excellence Severo Ochoa“ Preises für IAA-CISC (SEV-2017-0709) sowie dem ISAS/JAXA Small Mission-of-Opportunity program und JSPS KAKENHI JP18H05234.

Sunrise III-Factsheet
pdf: https://www.raumfahrer.net/wp-content/uploads/2021/01/SunriseIIIFactsheetDE.pdf

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• SUNRISE – Sonnenobservatorium am Ballon

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: ISRO

Aktuell geht die ISRO von einem Start 2019 oder 2020 vom Satish Dhawan Space Center (SDSC) auf Sriharikota an Indiens Südküste aus. Als Trägerrakete für das Sonnenobservatorium soll eine des Typs PSLV-XL zum Einsatz kommen.

Anfangs sah der Missionsentwurf für das Observatorium nur ein zentrales Instrument vor, einen Koronographen namens Visible Emission Line Coronagraph (VELC). Zwischenzeitlich wurde das Aufgabenfeld von ADITYA L1 deutlich erweitert, die Satellitenmasse ist merklich angestiegen.

Als Arbeitsorbit der zunächst ADITYA 1 genannten Mission mit einem Raumfahrzeug mit einer Masse im Bereich von 400 Kilogramm war anfänglich ein polarer in rund 800 Kilometern über der Erde vorgesehen. Nach neuesten Angaben der ISRO will man das Sonnenobservatorium künftig beim Lagrange Punkt L1 zwischen Sonne und Erde betreiben. Deshalb wird das Observatorium nun ADITYA L1 genannt.

Ein Orbit um den Lagrange Punkt L1 in rund 1,5 Millionen Kilometern Abstand von der Erde hat den Vorteil eines zeitlich uneingeschränkten Blicks Richtung Sonne, ohne dass sich das Observatorium durch den Erdschatten bewegt.

Die von den Messungen von ADITYA L1 erhofften Daten sollen bei der Beantwortung der Fragen helfen, welche physikalischen Prozesse für die Aufheizung der Korona unseres Zentralgestirns sorgen (Temperaturen zwischen ein und zwei Millionen Grad Celsius), den Sonnenwind auf bis zu 1000 km/s beschleunigen und die koronalen Masseauswürfe (coronal mass ejections, CMEs) verursachen.

Mit der erweiterten Instrumentierung des Sonnenobservatoriums wird es außerdem möglich sein, die unterste Schicht der „Atmosphäre“ der Sonne, die Photosphäre in den Bereichen weicher und harter Röntgenstrahlung zu beobachten und die an die Photosphäre anschließende, außen in die Korona übergehende Chromosphäre im Bereich des Ultravioletten Lichts (UV) zu untersuchen.

Teilchendetektoren werden den von der Sonne kommenden Partikelfluss um das Observatorium auf seiner Bahn um den L1-Punkt erfassen können und Magnetometer werden in der Lage sein, die Feldstärke des von der Sonne erzeugten Magnetfelds im Bereich der Bahn des Observatoriums zu ermitteln. Teilchendetektoren und Magnetometer wären laut ISRO auf einer erdnahen Umlaufbahn in rund 800 Kilometern über der Erde nicht sinnvoll zu betreiben gewesen, da sie sich dort im unmittelbaren Einflussbereich des Erdmagnetfeldes befunden hätten.

Die umfangreiche Instrumentierung wird nach Angaben der ISRO Sonnenforschern verschiedenster Institutionen aus Indien Gelegenheit geben, weltraumgestützte Instrumente zur Beobachtung der Sonne einzusetzen.

Im einzelnen besteht die für ADITYA L1 vorgesehene Instrumentenausstattung nach aktueller Planung aus den folgenden Geräten:

Visible Emission Line Coronagraph (VELC)
Der Koronograph VELC ist für das Studium der Korona der Sonne gadacht. Außerdem soll er der Untersuchung der Dynamik und der Quelle von CMEs dienen. Um seine Aufgaben zu erfüllen, ist er vierkanalig ausgelegt. Drei der Kanäle decken Bereiche des sichtbaren Lichts ab, eine Kanal liegt im Infraroten (IR). Der Koronograph wird entwickelt und betreut vom Indischen Astrophysikalischen Institut (Indian Institute of Astrophysics, IIA) aus Bangalore.

Solar Ultraviolet Imaging Telescope (SUIT)
Mit dem UV-Teleskop SUIT will man Photosphäre und Chromosphäre der Sonne im nahen UV auf Wellenlängen zwischen 200 und 400 Nanometern beobachten und Variationen in der von der Sonne ausgesandten Strahlung ermitteln. Das Teleskop wird betreut vom Interuniversitären Zentrum für Astronomie und Astrophysik Pune (Inter University Centre for Astronomy and Astrophysics, IUCAA).

Plasma Analyser Package for Aditya (PAPA)
PAPA wird sich laut Plan mit den Sensoren SWEEP (Solar Wind Electron Energy Probe) und SWICAR (Solar Wind Ion Composition AnalyseR) der Energieverteilung im Sonnenwind und seiner Zusammensetzung in einem Energiebereich zwischen 0,01 und 3 keV annehmen. Mütter und Väter des Plasmaanalysepackets PAPA sitzen im Labor für Weltraumphysik (Space Physics Laboratory, SPL) des Vikram Sarabhai Raumfahrtzentrum (Vikram Sarabhai Space Centre, VSSC) aus Thiruvananthapuram.

Aditya Solar Wind Particle Experiment (ASPEX)
Der Detektorkomplex für Partikel im Sonnenwind ASPEX ist insbesondere der Ermittlung von Variationen und Verteilung von Teilchen im Sonnenwind gewidmet. Ein SWIS für Solar Wind Ion Spectrometer genanntes Spektrometer soll Protonen, Alpha-Teilchen und schwere Ionen in einem Bereich von 100 eV bis 20keV unterscheiden können. Das STEPS für Supra Thermal Energetic Particle Spectrometer genannte Spektrometer soll Sonnenwind aus vier verschiedenen Richtungen erfassen und ist für Energien zwischen 20keV und 5 MeV empfindlich. Die Anlage kommt vom Physkialischen Forschungslabor (Physical Research Laboratory, PRL) aus Ahmedabad.

Solar Low Energy X-ray Spectrometer (SoLEXS)
Mit dem Röntgenspektrometer SoLEXS will man die von Plasma-Magnetfeldbögen ausgehende Röntgenstrahlung zwischen einem und 30 keV messen, wovon man sich Unterstützung beim Studium der Vorgänge, die für die Aufheizung der Korona der Sonne sorgen, verspricht. Das Spektrometer ist ein Projekt des ISRO-Zentrums für Raumfahrtanwendungen (ISRO Satellite Centre, ISAC) in Bangalore.

High Energy L1 Orbiting X-ray Spectrometer (HEL1OS)
Um dynamische Ereignisse in der Sonnenkorona zu beobachten, wird man ADITYA L1 auch mit einem Spektrometer für energiereiche Röntgenstrahlung ausstatten. Ein Detektor aus CdZnTe und einer aus CdTe werden sich im jeweils nutzbaren Energiebereich überlappen und so Beobachtungen in einem Bereich von Strahlung zwischen 10 und 150 keV ermöglichen. Man erwartet von HEL1OS Daten, die eine Abschätzung der Energie, die für die Beschleunigung von Teilchen bei eruptiven Ausbrüchen (CMEs) verantwortlich ist, zulassen. HEL1OS ist ein gemeinsames Programm des ISAC und des Sonnenobservatoriums Udaipur (Udaipur Solar Observatory, USO) des PRL.

Magnetometer
Das Labor für elektrooptische Systeme (Laboratory for Electro-optic Systems (LEOS) aus Bangalore steuert zusammen mit dem ISAC Magnetometer-Technik bei, mit deren Hilfe man Stärke und Natur des Magnetfelds im interplanetarischen Raum im Bereich der Flugbahn von ADITYA L1 untersuchen möchte.

Verwandte Meldung bei Raumfahrer.net:

• Sonnenobservatorium ADITYA (L)1 nicht vor 2017 im All (2. März 2014)

Der Beitrag Sonnenobservatorium ADITYA L1 nicht vor 2019 im All erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: Zioutas et al..

Flares gehören zum Alltagsgeschäft unserer Sonne. Fünf bis zehn mal pro Tag erhebt sich eine Fackel einige tausend Kilometer über die Sonnenoberfläche und gibt dabei UV- und Röntgenstrahlung sowie Ionen und Elektronen in das Sonnensystem ab. Sie entstehen in der Chromosphäre, einer Schicht, die fast ausschließlich aus Wasserstoff und Helium besteht und hauptsächlich durch das Magnetfeld der Sonne beeinflusst wird. Das starke Magnetfeld der Sonne resultiert in Magnetfeldlinien, die durch ihre Eigenrotation ständig um die Sonne „herumgewickelt“ werden. Dabei kommt es regelmäßig zu einem „Reißen“ und „Wiederverbinden“ der Feldlinien. Eine Feldlinie, welche kurzzeitig die Chromosphäre verlässt, kann so etliche Teilchen mit sich reißen, was wir als Sonnenfackel oder Flare beobachten.
Bisher war man davon ausgegangen, dass die Verzwirbelungen des Magnetfelds die einzige Ursache für solare Flares sind. Jedoch konnten bisher nicht alle beobachteten Ausbrüche auch mit dieser Ursache in der Verbindung gebracht werden.

Wie ein Forscherteam um Konstantin Zoutas von der Universität von Patras in Griechenland nun berichtet, dürfte zumindest ein Teil der beobachteten Flares durch einen völlig anderen Prozess verursacht werden. So könnten hypothetische Teilchen im Innern der Sonne zu den Auslösern gehören, die Axionen. Diese – auch wenn sie bisher nicht nachgewiesen sondern nur theoretisch postuliert werden konnten – stehen im Verdacht, einen Teil der wenig verstandenen Dunklen Materie auszumachen.

Die Quantenchromodynamik (QCD) untersucht das Verhalten von Quarks, den fundamentalen Bausteinen, aus der alle Materie aufgebaut ist. Die Theorie versucht, die physikalischen Eigenschaften von Elementarteilchen wie Elektron, Proton und Neutron aufgrund derer Bausteine zu beschreiben. Sie geht davon aus, dass die Atomkern-Grundbausteine aus jeweils drei Quarks aufgebaut sind. Die experimentelle Untersuchung von Quarks ist technisch sehr aufwendig. Impulse erwarten sich Forscher durch den neuen Beschleuniger LHC am CERN in Genf.

Überwiegend kann sich die QCD jedoch nur auf theoretische Modelle stützen, welche erst in der Zukunft mit technisch hochaufwendigen Experimenten oder durch neue Beobachtungsmethoden experimentell bestätigen lassen. So erfordert die Untersuchung kleinster Strukturen die Schaffung extremer Bedingungen, um die Materiebausteine aus ihrer Verpackung zu reißen. Diese herrschen nur in Teilchenbeschleunigern und in astronomischen Objekten wie Sternen.

Wie bei experimentell nur eingeschränkt überprüfbaren Modellen in der Physik üblich, müssen mögliche Widersprüche zunächst hingenommen und verarztet werden. So gibt es ein größeres Problem mit dem elektrisch neutralen Neutron, das alle schwereren Atome nach dem Wasserstoff mit aufbaut. Dessen theoretisch mit der QCD vorhergesagten Eigenschaften stimmen nicht völlig mit den experimentell gemessenen überein. Um einen Bruch der für die Theorie essentiellen Symmetrien zu vermeiden, führte der amerikanische Physiker Frank Wilczek das Axion als hypothetisches Teilchen ein.

Bisher waren Physiker davon ausgegangen, dass sich Axionen, die im Sonnenkern entstehen, radial in ihre Außenzonen bewegen, um hier die sie umgebende Materie zu ionisieren. Die dabei von ihren Atomkernen befreiten Elektronen werden dann gestreut, was die bei Flares entstehende Röntgenstrahlung erklären würde, die keiner Vorzugsrichtung zu folgen scheint. Das Team um Zioutas schlägt nun vor, eine genauere Untersuchung solarer Flares könnte Aufschlüsse über die Masse der Axionen liefern. Denn deren Masse ist abhängig von der Dichte des Plasmas, in der sie Röntgenstrahlung erzeugen können. Schließlich könnten Kosmologen die Axionenmasse dazu nutzen, zu berechnen, wie viele von ihnen im jungen Universum erzeugt wurden und welchen Anteil sie heute zur Dunklen Materie beitragen.

Hier gelangen Sie zur Diskussion zu diesem Thema in der Raumcon.

Der Beitrag Flares, verursacht von Dunkler Materie erschien zuerst auf Raumfahrer.net.