Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 24. August 2023.

24. August 2023 – Kleinste Plasmaströme auf der Sonne, die mit Geschwindigkeiten von einigen hundert Kilometern pro Stunde von der Sonnenkorona ins All rasen, könnten der lang gesuchte Antrieb des Sonnenwindes sein. Wie ein Forscherteam unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen heute in der Fachzeitschrift Science berichtet, findet sich in hochaufgelösten Aufnahmen eines koronalen Lochs, die der ESA-Raumsonde Solar Orbiter im März vergangenen Jahres gelungen sind, eine Vielzahl solcher Mini-Ströme. Koronale Löcher zeigen sich als dunkle Bereiche in Aufnahmen der Korona und gelten als Ausgangsort des Sonnenwindes. Wie die Auswertungen jetzt zeigen, sind die Plasmaströme zwar ein ständig wiederkehrendes und häufiges Phänomen, jeder einzelne reißt jedoch nach kurzer Zeit ab. Dies legt den Schluss nahe, dass der Sonnenwind bei näherer Betrachtung nicht als gleichmäßiger Teilchenstrom ausgestoßen wird, sondern zu Beginn und auf kleinen Skalen unregelmäßig fluktuiert.

Die Sonne sendet nicht nur Strahlung ins All, sondern auch einen Strom geladener Teilchen wie etwa Protonen und Elektronen. Dieser Sonnenwind fällt je nach Aktivität der Sonne mal stärker und mal schwächer aus, kommt jedoch nie vollständig zum Erliegen. Die schnellsten Teilchen des Sonnenwindes erreichen Überschallgeschwindigkeiten von mehr als 500 Kilometern pro Sekunde. Ihre Quellregionen sind koronale Löcher vorzugsweise in der Nähe der Sonnenpole. Auf Aufnahmen der Sonnenkorona im ultravioletten Licht zeigen sich diese „Löcher“ als dunkle Bereiche. Dort weisen die Feldlinien des Sonnenmagnetfeldes nicht bogenförmig zurück zur Sonne, sondern ragen in den interplanetaren Raum. Die Aufnahmen der Raumsonde Solar Orbiter, die das Forscherteam nun ausgewertet hat, zeigen ein solches koronales Loch in bisher unerreichter Detailschärfe und mit schneller Bildabfolge.

Zum Zeitpunkt der Aufnahmen am 30. März 2022 hatte Solar Orbiter den sonnennächsten Punkt seiner stark elliptischen Umlaufbahn um die Sonne erreicht. Aus einem Abstand von nur etwa 50 Millionen Kilometern blickte die Sonde aus geringerem Abstand auf die Sonnenkorona, als jeder ihrer Vorgänger. Etwa eine halbe Stunde lang konnte das Instrument Extreme-Ultraviolet Imager (EUI), zu dessen Bau und Entwicklung auch wissenschaftlich-technische Teams des MPS beigetragen haben, seinen Blick auf ein koronales Loch in der Nähe des Südpols richten.

„Wie genau es der Sonne gelingt, den Sonnenwind mit hohen Geschwindigkeiten ins All zu beschleunigen, war bisher unklar. Die einzigartigen Aufnahmen von Solar Orbiter bieten uns die Möglichkeit, genauer als je zuvor auf die Quellregionen des Sonnenwindes zu schauen und so diesen Prozess besser als zuvor zu verstehen“, erklärt MPS-Wissenschaftler Dr. Lakshmi Pradeep Chitta, Erstautor der neuen Studie.

Kleine Ausbrüche mit großer Wirkung
In den Aufnahmen findet sich eine Vielzahl kleinster Ströme, die sich mit Geschwindigkeiten von einigen hundert Kilometern pro Sekunde von der Sonne fortbewegen. Sie sind etwa 100 Kilometer breit, von langgezogener oder Y-förmiger Gestalt und recht kurzlebig: nach etwa 20 bis 100 Sekunden verblassen sie. Auch die Energie, die jeder einzelne Strom transportiert, ist verhältnismäßig klein: etwa der billionste Teil der Energie, welche die größten Explosionen im Sonnensystem, Strahlungsausbrüche der Sonne der Kategorie X, freisetzen. Deshalb sprechen die Forscherinnen und Forscher von Piko-Flare-Strömen. Für irdische Verhältnisse ist diese Energiemenge dennoch gewaltig: Sie entspricht etwa der Energiemenge, die 10.000 Haushalte in Deutschland im Laufe eines Jahres verbrauchen.

In der Summe dürften die Mini-Ströme dennoch einen Großteil der Energie bereitstellen, die erforderlich ist, die Sonnenwindteilchen auf ihre Überschallreise durchs All zu schicken. „Die Ströme, die wir nun entdeckt haben, sind zwar klein und treten nur sporadisch auf“, so Chitta, „sie sind aber offenbar ein häufiges Phänomen und in dem betrachteten koronalen Loch geradezu allgegenwärtig.“ Auslöser der Piko-Flare-Ströme könnten lokale Umstrukturierungen des Sonnenmagnetfeldes sein. Von größeren, ähnlich geformten Strömen ist bekannt, dass sie dort entstehen, wo sich offene und geschlossene Feldlinien des Sonnenmagnetfeldes treffen, neu anordnen und dabei Energie freisetzen.

Teilchenstrom mit Feinstruktur
In bisherigen Vorstellungen ist der Sonnenwind ein über große Zeiträume betrachtet zwar an- und abschwellender, ansonsten aber homogener Teilchenstrom. Diese Sicht scheint nicht länger haltbar zu sein. Wie Solar Orbiters zeitlich und räumlich hochaufgelöste Messungen zeigen, nimmt der Sonnenwind seinen Ursprung offenbar in Gestalt vieler winziger Ströme – ähnlich wie die meisten Flüsse sich aus einer Vielzahl kleiner Bäche und Nebenarme speisen.

„Je genauer wir mit Solar Orbiter in die Korona der Sonne schauen, desto mehr finden wir, welch entscheidende Rolle kleinste Strukturen und Prozesse für das Verständnis unseres Sterns spielen“, so Koautor Prof. Dr. Hardi Peter vom MPS. Die Forschenden halten es für möglich, dass sogar noch kleinere Ströme oder schwächere Strahlungsausbrüche, die auch dem Sonnenspäher der ESA verborgen bleiben, am Werk sind. Die Forscherinnen und Forscher hoffen nun, im weiteren Verlauf der Mission mehr über die Piko-Flare-Ströme zu lernen. In den kommenden Jahren wird Solar Orbiter, die Ebene, in der die Planeten um die Sonne kreisen, mehr und mehr verlassen und so eine immer bessere Sicht auf ihre Polregionen – und die dortigen koronalen Löcher – genießen.

Originalveröffentlichung
L.P. Chitta et al.: Picoflare jets power the solar wind emerging from a coronal hole on the Sun, Science, 24. August 2023,
dx.doi.org/10.1126/science.ade5801, https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade5801.

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 12. September 2022.

12. September 2022 – Während des bisher engsten Vorbeiflugs der ESA-Raumsonde Solar Orbiter an der Sonne im Frühjahr dieses Jahres wurde der Koronograph Metis Zeuge eines kuriosen Schauspiels in der Korona: einer S-förmigen, einige hunderttausend Kilometer großen Plasmastruktur, die sich mit hoher Geschwindigkeit von der Sonne wegbewegt. Eine Forschergruppe, zu denen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen zählen, halten dies für die Aufnahme eines so genannten „Switchbacks“. Das Phänomen ist seit Jahrzehnten aus Sonnenwindmessungen bekannt, wo es sich als kurzzeitige Umkehr des Magnetfeldes zeigt. Die Messdaten von Solar Orbiter und neue Modellrechnungen ermöglichen es nun erstmals, dem Ursprung des Phänomens bis hinunter in die untere Korona nachzuspüren. Wie das Team heute in der Fachzeitschrift „The Astrophysical Journal Letters“ berichtet, lösen dort Umstrukturierungen im solaren Magnetfeld die Switchbacks aus.

Das Magnetfeld der Sonne macht sich nicht nur in ihrer unmittelbaren Umgebung bemerkbar. Der Sonnenwind, der stetige Strom geladener Teilchen von der Sonne, trägt es weit in den Weltraum hinaus und erzeugt so die Heliosphäre, den magnetischen Einflussbereich der Sonne. Plötzliche, lokal auftretende Umkehrungen des Magnetfeldes sind dabei offenbar keine Seltenheit. In großer Nähe zur Sonne ist das Phänomen der NASA-Raumsonde Parker Solar Probe in den vergangenen Jahren häufig begegnet. Auch die deutsch-amerikanischen Zwillingssonden Helios I und II sowie die NASA-Sonde Ulysses fingen in den 70er und 90er Jahren in deutlich größerem Abstand zur Sonne vereinzelt entsprechende Messdaten ein. Die so gennannten Switchbacks dauern höchstens einige Stunden an, haben eine S-förmige Gestalt und gehen oftmals mit Beschleunigungen des Sonnenwindes einher. Ihr Ursprung blieb jedoch bisher weitestgehend unklar.

Die neuen Messungen von Solar Orbiter, die heute veröffentlicht werden, bringen neue Erkenntnisse – auch weil sich die Beobachtungen der ESA-Sonde fundamental von denen ihrer sonnenforschenden Vorgänger unterscheiden. Bei den bisherigen Begegnungen mit Switchbacks handelte es sich um in situ-Messungen: Die Raumsonden durchflogen den Sonnenwind und zeichneten die Stärke und Richtung des Magnetfeldes am eigenen Standort auf. Solar Orbiter hingegen ist auch mit Teleskopen und Kameras ausgerüstet und kann so das Phänomen in seiner Gesamtheit abbilden.

Langgestreckte, gebogene Plasmastruktur
Dies gelang dem Solar Orbiter-Koronograph Metis am 25. März dieses Jahres, einen Tag bevor die Raumsonde ihren bisher sonnennächsten Punkt erreichte. Weniger als 48 Millionen Kilometer trennten Solar Orbiter zu diesem Zeitpunkt von der Sonne. Der Koronograph deckt die helle Sonnenscheibe sowie die innere Atmosphäre der Sonne ab und macht so Vorgänge in der deutlich lichtschwächeren äußeren Atmosphäre sichtbar. Am MPS wurden die Kameras des Instrumentes entwickelt und gebaut.

In den jetzt veröffentlichten Aufnahmen ist eine langestreckte, S-förmig gebogene Plasmastruktur zu erkennen, die zunächst in einer Höhe von 2,6 Sonnenradien oberhalb der Sonnenoberfläche auftritt. Mit einer Geschwindigkeit von mindestens 290.000 Kilometern pro Stunde bewegt sie sich radial von der Sonne weg, wobei sich ein kleiner Teil der Struktur in entgegengesetzter Richtung auszubreiten scheint.

„Die große Stärke von Solar Orbiter ist, dass die Raumsonde mit Instrumenten ausgerüstet ist, die gleichzeitig in unterschiedliche Schichten der Sonne schauen können“, erklärt Dr. Luca Teriaca vom MPS, Co-Principal Investigator von Metis und Ko-Autor der aktuellen Studie. „So konnten wir den Switchback erstmals bis zu seinem Ursprung verfolgen“, fügt er hinzu. Denn auch der Extreme Ultraviolet-Imager (EUI) von Solar Orbiter war am 25. März eingeschaltet. Das Instrument, zu dem das MPS eines von drei Teleskopen beigesteuert hat, fängt die extrem kurzwellige ultraviolette Strahlung aus der inneren Korona ein. Sein Sichtfeld liegt somit deutlich näher an der Oberfläche der Sonne als das von Metis.

Die EUI-Aufnahmen vom 25. März zeigen unterhalb des Switchbacks ein wahres Feuerwerk heller Plasmabögen, die sich von der Sonnenoberfläche bis in die innere Korona erstrecken. Wie auch hier treten solche koronalen Bögen häufig in Zusammenhang mit aktiven Regionen, Gebieten starker Magnetfeldstärke an der Oberfläche der Sonne, auf. Das Plasma strömt dort entlang der gebogenen, geschlossenen Feldlinien des Sonnenmagnetfeldes.

Umbauarbeiten im Magnetfeld
Um zu verstehen, wie die Beobachtungen von EUI und Metis zusammenpassen, hat das Team umfangreiche magnetohydrodynamische Modellrechnungen durchgeführt. Auf diese Weise konnten die Forscherinnen und Forscher sowohl die Architektur des solaren Magnetfeldes zum Zeitpunkt des Switchbacks berechnen, als auch die Entwicklung und Ausbreitung der kuriosen Struktur selbst nachvollziehen.

„Die Berechnungen deuten darauf hin, dass sich Switchbacks dort bilden, wo sich das Magnetfeld oberhalb einer aktiven Region neu formiert“, so MPS-Wissenschaftlerin und Ko-Autorin Dr. Regina Aznar Cuadrado. In direkter Nachbarschaft zu den geschlossenen Magnetfeldlinien fand das Team offene Feldlinien, die weit ins All reichen. Dort, wo beide Arten von Magnetfeldlinien interagieren, strukturiert sich das Magnetfeld um; die freiwerdende Energie wird in Form einer S-förmigen Störung im Plasma freigesetzt.

„Switchbacks gehen oftmals mit einem lokalen Anstieg der Sonnenwindgeschwindigkeit einher“, ordnet MPS-Wissenschaftler und Ko-Autor Prof. Dr. Hardi Peter die neuen Ergebnisse ein. „Die aktuelle Studie kann deshalb möglicherweise helfen zu verstehen, wie der Sonnenwind ins All beschleunigt wird“, fügt er hinzu.

Von der Korona bis in die Heliosphäre
Das Team hofft nun darauf, das Solar Orbiter in den kommenden Monaten Zeuge weiterer Switchbacks wird. Im Idealfall breitet sich die Plasmastörung dann in Richtung der Raumsonde aus und erreicht sie schließlich. Auf diese Weise könnten nicht nur Solar Orbiter’s Teleskope, sondern auch die in situ-Instrumente Messdaten einfangen – und das Phänomen erstmals von seinem Entstehungsort bis in die Heliosphäre nachverfolgen.

Originalveröffentlichung
Daniele Telloni et al.: Observation of magnetic Switchback in the Solar Corona, The Astrophysical Journal Letters, Vol. 936, Nr. 2, dx.doi.org/10.3847/2041-8213/ac8104,
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac8104,
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac8104/pdf.

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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.

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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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.

22. März 2022 – Auf ihrer bereits zwei Jahre währenden Reise durchs All steuert die ESA-Raumsonde Solar Orbiter, zu der auch die NASA beiträgt, den bisher besten Aussichtspunkt ihrer Flugroute an. Am kommenden Samstag, 26. März 2022, werden die Sonde nur etwa 48 Millionen Kilometer von der Sonne trennen. Das ist weniger als ein Drittel des Abstandes zwischen Erde und Sonne. In den Tagen um den so genannten Perihel-Durchgang dürfte der Sonnenspäher seine bisher wertvollsten Daten aufzeichnen; die Aufnahmen der heißen Sonnenkorona werden sogar die höchstaufgelösten aller Zeiten sein. Dabei kann Solar Orbiter einen seiner entscheidenden Vorzüge ausspielen: den gleichzeitigen Blick in verschiedene Schichten der Sonne. Die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erhoffen sich dadurch etwa neue Erkenntnisse darüber, wie kleinste Strahlungsausbrüche in der Korona aus den Magnetfeldern der sichtbaren Sonnenoberfläche entstehen. Das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen hat zu vier der insgesamt zehn wissenschaftlichen Instrumente der Mission beigetragen.

Zwischen Erde und Sonne liegen gewaltige 150 Millionen Kilometer. Nur wenige Raumsonden haben sich bisher auf weniger als ein Drittel dieses Abstandes an unser Zentralgestirn herangewagt. Ab Ende März darf sich auch Solar Orbiter zu dieser exklusiven Gruppe zählen: Am Samstag, 26. März 2022, fliegt der Sonnenspäher in einer Entfernung von etwa 48 Millionen Kilometern an der Sonne vorbei. Das sind nur wenige Millionen Kilometer mehr als der Abstand, den die Zwillingssonden Helios A und B in den 70er Jahren erreichten. Näher an die Sonne herangeflogen ist bisher nur die Parker Solar Probe der NASA, die im vergangenen Jahr einen Abstand von nur 8,5 Millionen Kilometern erreichte.

„Anders als seine Vorgänger ist Solar Orbiter mit einer ungewöhnlich umfassenden Instrumentierung ausgerüstet“, erklärt MPS-Direktor Prof. Dr. Sami K. Solanki. Die zehn Messinstrumente vermessen nicht nur die elektromagnetischen Felder und Sonnenteilchen, welche die Raumsonde umströmen, sondern können erstmals aus großer Nähe auf die Sonne selbst blicken. So zeichnet etwa das Instrument PHI (Polarimetric and Helioseismic Imager), das unter Leitung des MPS entwickelt und gebaut wurde, die Magnetfelder und Strömungsgeschwindigkeiten an der Sonnenoberfläche auf; die Instrumente EUI (Extreme-Ultraviolet Imager), SPICE (Spectral Imaging of the Coronal Environment) und der Koronograph Metis, zu denen das MPS beigetragen hat, liefern Informationen aus der heißen Sonnenkorona.

Strahlungsausbrüche und Sonnenwind
Dort konnten die Teleskope von EUI bereits in den vergangenen Monaten kleinste Strahlungsausbrüche, so genannte „Lagerfeuer“ (engl.: campfires), sichtbar machen. Das Phänomen tritt häufiger auf als bisher gedacht und könnte helfen zu erklären, wie die mit etwa eine Million Grad rätselhaft hohen Temperaturen der Sonnenkorona entstehen. Die sichtbare Sonnenoberfläche ist mit etwa 6000 Grad deutlich „kühler“. Die Daten, die PHI und EUI während ihrer Inbetriebnahme im All 2020 und 2021 aufgenommen haben, zeigen, dass oftmals eng benachbarte Regionen unterschiedlicher magnetischer Polarität auf der Sonnenoberfläche Ursprungsort des Phänomens sind. Vieles spricht dafür, dass strukturelle Änderungen in diesen räumlich begrenzten Magnetfeldern maßgeblich sind für die Energiezufuhr zu den „Lagerfeuern“. „Nach unseren Auswertungen müssen aber auch andere, noch unbekannte Prozesse eine Rolle spielen“, so MPS-Wissenschaftlerin Dr. Fatima Kahil, die diese Daten ausgewertet hat. „Wir hoffen sehr, dass die besser aufgelösten Daten vom bevorstehenden Perihel-Durchgang uns helfen werden, diese Zusammenhänge besser zu verstehen“, fügt sie hinzu.

Während der Tage um den 26. März 2022 wird Solar Orbiter auch auf die Polregionen der Sonne schauen. Bisher hat die Sonde die Bahnebene, in der die Erde und die anderen Planeten um die Sonne kreisen, um vier Grad verlassen; bis zum Ende der Mission sollen es mehr als 30 Grad werden. Auf diese Weise wird es möglich, erstmals auf die Pole der Sonne zu schauen.

„Obwohl die Sicht von Solar Orbiter auf die Pole noch nicht optimal ist, ist der Zeitpunkt für solche Beobachtungen momentan besonders günstig“, erklärt Prof. Dr. Hardi Peter vom MPS, Mitglied des SPICE-, EUI- und Metis-Teams. In ihrem etwa elfjährigen Zyklus hat die Aktivität der Sonne ihr Maximum derzeit noch nicht erreicht. In dieser vergleichsweise ruhigen Phase tritt aus Regionen in der Nähe der Pole vermehrt der schnelle Sonnenwind aus. Mit Überschallgeschwindigkeiten von etwa 750 Kilometern pro Sekunde jagen diese Sonnenteilchen durchs All. Gemeinsame Messungen von Solar Orbiters in situ-Instrumenten, die diese Teilchen am Ort der Raumsonde vermessen, und den Instrumenten, die auf die Sonne blicken, könnten Aufschluss über den Beschleunigungsmechanismus geben. Beim nächsten Perihel-Durchgang in etwa sechs Monaten dürfte der schnelle Sonnenwind bereits weiter abgenommen haben. Dann allerdings kommt es häufiger zu spontanen Ausbrüchen der Sonnenteilchen.

Und noch ein Stück näher
Solar Orbiters aktuelle, stark elliptische Umlaufbahn wird sich in den kommenden drei Jahren nur wenig ändern: Etwa alle sechs Monate wird die Raumsonde ihren sonnennächsten Punkt erreichen. Mit dem nächsten Perihel-Durchgang, der im Oktober dieses Jahres ansteht, rückt Solar Orbiter der Sonne allerdings noch ein kleines Stück näher auf 42 Millionen Kilometer. Dann wird Solar Orbiter auch die Sonden Helios A und B übertroffen haben.

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