Quelle: ESA 25. Juli 2024.

25. Juli 2024 – Der Planet mit der Bezeichnung Epsilon Indi Ab hat die mehrfache Masse des Jupiter und umkreist den Stern vom Typ K Epsilon Indi A (Eps Ind A), der etwa so alt wie unsere Sonne ist, aber etwas kühler. Das Team beobachtete Epsilon Indi Ab mit dem Koronagraphen des MIRI-Instruments (Mid-Infrared Instrument) von Webb. Nur einige Dutzend Exoplaneten wurden bisher von weltraum- und bodengestützten Teleskopen direkt abgebildet.

„Diese Entdeckung ist aufregend, weil der Planet dem Jupiter recht ähnlich ist – er ist etwas wärmer und massereicher, aber er ähnelt dem Jupiter mehr als jeder andere Planet, der bisher abgebildet wurde“, sagte die Hauptautorin Elisabeth Matthews vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Deutschland.

„Unsere bisherigen Beobachtungen dieses Systems waren eher indirekte Messungen des Sterns, die es uns ermöglichten, frühzeitig zu erkennen, dass es in diesem System wahrscheinlich einen Riesenplaneten gibt, der an dem Stern zerrt“, fügt Teammitglied Caroline Morley von der University of Texas in Austin, USA, hinzu. „Deshalb hat unser Team dieses System ausgewählt, um es zuerst mit Webb zu beobachten.“

Analoges Sonnensystem
Bei den bereits abgebildeten Exoplaneten handelt es sich in der Regel um die jüngsten und heißesten Exoplaneten, die noch einen Großteil der Energie aus der Zeit ihrer Entstehung abstrahlen. Wenn Planeten im Laufe ihres Lebens abkühlen und schrumpfen, werden sie deutlich schwächer und sind daher schwieriger abzubilden.

„Kalte Planeten sind sehr lichtschwach, und der Großteil ihrer Strahlung liegt im mittleren Infrarot“, erklärt Matthews. „Webb ist ideal geeignet, um Aufnahmen im mittleren Infrarotbereich zu machen, was von der Erde aus extrem schwierig ist. Wir brauchten auch eine gute räumliche Auflösung, um den Planeten und den Stern in unseren Bildern zu trennen, und der große Webb-Spiegel ist in dieser Hinsicht äußerst hilfreich.“

Epsilon Indi Ab ist einer der kältesten Exoplaneten, die bisher direkt entdeckt wurden, mit einer geschätzten Temperatur von 2 Grad Celsius – kälter als jeder andere abgebildete Planet außerhalb unseres Sonnensystems und kälter als alle anderen frei schwebenden Braunen Zwerge bis auf einen [1]. Der Planet ist nur etwa 100 Grad Celsius wärmer als Gasriesen in unserem Sonnensystem. Damit bietet sich den Forschenden die seltene Gelegenheit, die atmosphärische Zusammensetzung echter Analoga des Sonnensystems zu untersuchen.

„Astronom*innen haben sich Planeten in diesem System seit Jahrzehnten vorgestellt; fiktive Planeten, die Epsilon Indi umkreisen, waren Schauplatz von Star Trek Episoden, Romanen und Videospielen wie Halo“, fügt Morley hinzu. „Es ist aufregend, dort nun tatsächlich einen Planeten zu sehen und seine Eigenschaften zu messen.“

Nicht ganz wie vorhergesagt
Epsilon Indi Ab ist der zwölftnächste bisher bekannte Exoplanet in Erdnähe und der nächstgelegene Planet, der massereicher als Jupiter ist. Das Wissenschaftsteam entschied sich für die Untersuchung von Eps Ind A, weil das System mit Hilfe einer Technik namens Radialgeschwindigkeit, die die Hin- und Herbewegungen des Zentralsterns entlang unserer Sichtlinie misst, Hinweise auf einen möglichen planetaren Körper lieferte.

„Wir hatten zwar erwartet, in diesem System einen Planeten zu entdecken, weil es Hinweise auf seine Anwesenheit mit der Radialgeschwindigkeit gab, aber der Planet, den wir gefunden haben, entspricht nicht unseren Erwartungen“, so Matthews, “er ist etwa doppelt so massiv, etwas weiter von seinem Stern entfernt und hat eine andere Umlaufbahn als erwartet. Die Ursache für diese Diskrepanz bleibt eine offene Frage. Auch die Atmosphäre des Planeten scheint ein wenig anders zu sein als die Modellvorhersagen. Bisher haben wir nur wenige photometrische Messungen der Atmosphäre, so dass es schwierig ist, Schlussfolgerungen zu ziehen, aber der Planet ist bei kürzeren Wellenlängen schwächer als erwartet.“

Das Team glaubt, dass dies bedeuten könnte, dass es in der Atmosphäre des Planeten beträchtliche Mengen an Methan, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid gibt, die die kürzeren Wellenlängen des Lichts absorbieren. Dies könnte auch auf eine stark bewölkte Atmosphäre hindeuten.

Die direkte Abbildung von Exoplaneten ist für ihre Charakterisierung besonders wertvoll. Die Forschenden können das Licht des beobachteten Planeten direkt auffangen und seine Helligkeit bei verschiedenen Wellenlängen vergleichen. Bislang hat das Wissenschaftsteam Epsilon Indi Ab nur bei einigen wenigen Wellenlängen entdeckt, aber es hofft, den Planeten in Zukunft mit Webb erneut zu besuchen, um sowohl photometrische [2] als auch spektroskopische Beobachtungen durchzuführen. Man hofft auch, andere ähnliche Planeten mit Webb zu entdecken, um mögliche Trends in Bezug auf ihre Atmosphären und die Entstehung dieser Objekte zu ermitteln.

Die Ergebnisse wurden mit Webb’s Cycle 1 GO Programm #2243 aufgenommen und in Nature veröffentlicht.

Fußnoten
[1] Dieser Braune Zwerg, bekannt als Wise 0855, wurde 2014 entdeckt und von Webb beobachtet.
[2] Photometrie ist die Wissenschaft der Messung der Lichtmenge, die von einem Stern empfangen wird.

Weitere Informationen
Webb ist das größte und leistungsstärkste Teleskop, das jemals ins All gebracht wurde. Im Rahmen eines internationalen Kooperationsabkommens stellte die ESA den Startdienst für das Teleskop mit der Trägerrakete Ariane 5 bereit. In Zusammenarbeit mit ihren Partnern war die ESA für die Entwicklung und Qualifizierung der Ariane-5-Anpassungen für die Webb-Mission sowie für die Beschaffung des Startservices durch Arianespace verantwortlich. Die ESA stellte auch den Spektrographen NIRSpec und 50 % des Instruments für das mittlere Infrarot (MIRI) zur Verfügung, das von einem Konsortium national getragener europäischer Institute (The MIRI European Consortium) in Zusammenarbeit mit dem JPL und der Universität von Arizona entwickelt und gebaut wurde.
Webb ist eine internationale Partnerschaft zwischen der NASA, der ESA und der Kanadischen Raumfahrtagentur (CSA).

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• Direkt beobachtete Exoplaneten

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Quelle: ESA 8. April 2024.

8. April 2024 – Die Proba-3-Raumsonde „Occulter“ wird etwa 150 m von der zweiten Proba-3-Raumsonde, „Coronograph“ entfernt fliegen. Am vergangenen Mittwoch konnten Medienvertreter*innen in der Redwire Space Facility in Kruibeke, Belgien, die Sonden besichtigen, wo sie vor dem Flug getestet werden. Das Paar wird sich so genau nach der Sonne ausrichten, dass der Occulter einen Schatten auf die Oberfläche der Coronograph-Sonde wirft und somit die Sonne ausblendet und die Sonnenkorona sichtbar macht.

„Die beiden Raumsonden werden sich wie ein riesiges, 150 m langes Instrument verhalten“, erklärt Dietmar Pilz, ESA-Direktor für Technologie, Entwicklung und Qualität. „Dies zu erreichen wird jedoch eine enorme technische Herausforderung sein, denn bei der kleinsten Fehlausrichtung wird es nicht funktionieren. Der Entwicklungsprozess hat entsprechend lange gedauert – er wurde von einem Konsortium kleinerer ESA-Mitgliedstaaten unter der Leitung von Spanien und Belgien durchgeführt – daher freue ich mich sehr, dass Proba-3 heute hier für den Start vorbereitet wird.“

Künstliche Sonnenfinsternisse im Orbit erzeugen
Die Idee dahinter ist nicht neu: Eine zylindrische Apollo-Kapsel versuchte 1975 im Rahmen des Apollo-Sojus-Testprojekts, denselben Prozess mit einem sowjetischen Sojus-Raumfahrzeug durchzuführen. Das Ziel von Proba-3 ist es jedoch, diese künstlichen Sonnenfinsternisse routinemäßig durch präzise Formationsflüge zu erzeugen, und zwar bis zu sechs Stunden am Stück pro 19 Stunden und 36 Minuten Umlaufzeit.

Sonnenfinsternisse enstehen durch einen bemerkenswerten kosmischen Zufall: Die Sonne ist 400-mal größer als unser Mond, aber auch genau 400-mal weiter entfernt. Das bedeutet, dass der Mond, wenn die beiden Körper im Weltraum genau ausgerichtet sind, das feurige Antlitz der Sonne verdeckt und die Sonnenkorona sichtbar macht, die sich Millionen von Kilometern von unserem Mutterstern erstreckt.

Selten gesehene Region unseres Sonnensystems
Diese selten zu sehende Region unseres Sonnensystems ist sowohl wissenschaftlich als auch praktisch von Interesse: Die Korona ist eine Million Grad wärmer als die Oberfläche der darunter liegenden Sonne und sorgt für Sonnenwind und Weltraumwetter, sowie für heftige Auswürfe, die als „koronale Massenauswürfe“ bekannt sind und Weltraumwetter und Sonnenstürme verursachen, die sowohl Satelliten in der Umlaufbahn als auch terrestrische Energie- und Kommunikationsnetze beeinträchtigen können.

Um mehr von der Korona zu sehen, können spezialisierte Teleskope am Boden und in der Umlaufbahn, so genannte „Koronagraphen“, „Bedeckungsscheiben“ einbauen – sorgfältig konstruierte Blenden, die die Sonne innerhalb ihres Sichtfelds abdecken und so eine Sonnenfinsternis imitieren.

Ihre Wirksamkeit wird jedoch durch ein Phänomen namens „Beugung“ eingeschränkt, bei dem Streulicht über die Ränder der Koronografen austritt. Um diesen Effekt zu minimieren, muss die Blende viel weiter vom beobachtenden Koronografen entfernt sein – das ist aber aufgrund der begrenzten Größe von Raumsonden im Weltraum nicht praktikabel.

Gemeinsam stark
Jedenfalls bis jetzt. – Indem die beiden Raumsonden bis auf den Millimeter genau geflogen werden, wird das Hauptinstrument von Proba-3, ASPIICS (Association of Spacecraft for polarimetric and Imaging Investigation of the Corona of the Sun) Daten liefern, als ob es sich an Bord einer einzigen stationären Raumsonde befände, und so einen bisher schwer zugänglichen Untersuchungsbereich zwischen 3 und 1,1 Sonnenradien von der Sonne aus erschließen.

Diese Genauigkeit wird durch die Kombination einer Reihe von immer präziseren Positionierungstechnologien erreicht: Satellitennavigation; funkgestützte Verbindungen zwischen den Satelliten, Kameras für sichtbares Licht, die auf LEDs gerichtet sind, und schließlich ein Laserstrahl, der zwischen den Raumsonden reflektiert wird. Das zweite Instrument von Proba-3 ist ein Radiometer zur Messung der Gesamtenergie der Sonne, die für die Klimamodellierung wichtig ist.

Vollautonomer Formationsflug
Der Formationsflug findet völlig autonom statt und zwar am oberen Ende jeder Umlaufbahn in 60 000 km Höhe, wo die gravitativen, atmosphärischen und magnetischen Störungen minimal sind. Den Rest der Zeit verbringt das Paar in passivem, sicherem Schwebeflug im Orbit.

Wie bei allen ESA-Missionen zur Technologiedemonstration der Familie Proba wird der Erfolgsnachweis in der Qualität der gewonnenen wissenschaftlichen Daten liegen.

Neuartige Weltraummissionen möglich machen
Wenn es gelingt, einen präzisen Formationsflug durchzuführen, würde dies eine völlig neue Ära für Wissenschaft und Transfer ermöglichen. Es könnten Missionen geflogen werden, die viel größer sind als jede einzelne Raumsonde – wie z.B. riesige Funk- und optische Interferometrie-Arrays in der Umlaufbahn –, während ein präzises Rendezvous im Orbit die Wartung von Satelliten in der Umlaufbahn ermöglichen und die Lebensdauer der Weltrauminfrastruktur verlängern würde.

In der Zwischenzeit nutzen die Mitglieder des Proba-3-Wissenschaftsteams die totale Sonnenfinsternis über Nordamerika, um die für die Mission entwickelte Hardware zu testen: Polarisationsfilterräder, die in ASPIICS verwendet werden, sowie eine alternative LED-Technologie.

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• ESAs Proba-3-Mission auf PSLV

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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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• Solar Orbiter (SolO) auf Atlas V (411)

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