Quelle: Universität Wien 4. September 2024.

4. September 2024 – Zwei Instrumente für das künftig größte optische Teleskop der Welt, das Extremely Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile, haben die abschließende Designprüfung bestanden und damit einen wichtigen Meilenstein erreicht. Sie werden künftig Bilder des Universums in noch nie dagewesener Tiefe liefern: METIS, eine Kamera plus Spektrograph im mittleren Infrarotbereich, wird durch Staub- und Gaswolken blicken und so die Stern- und Planeten-Entstehung nachvollziehen können. Die 20 Tonnen schwere Kamera MICADO hingegen soll unter anderem Bilder von Sternsystemen in nahen Galaxien, Exoplaneten und schwarzen Löchern liefern. An der Entwicklung ist die österreichische Kooperation A* (Universitäten Wien und Innsbruck, JKU Linz, Österreichische Akademie der Wissenschaften) beteiligt.

In rund drei Jahren soll das weltweit größte optische Teleskop, das Extremely Large Telescope (ELT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) in der chilenischen Atacama-Wüste in Betrieb gehen. Ausgerüstet mit verschiedenen Instrumenten, zwischen denen man innerhalb von Minuten umschalten kann, wird das ELT von der Erde aus Blicke ins Universum in noch nie dagewesener Tiefe ermöglichen. Zwei dieser Instrumente, an deren Entwicklung auch zahlreiche österreichische Expert*innen beteiligt sind, haben nun die abschließende Designprüfung bestanden und damit einen wichtigen Meilenstein erreicht: Die „Multi-AO Imaging Camera for Deep Observations“ (MICADO), eine leistungsstarke hochauflösende Kamera für das ELT, hat die Designphase im Sommer abgeschlossen; der „Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph“ (METIS) bereits im Mai. Beide Instrumente sollen bereits beim Start des ELT oder kurz danach in Betrieb gehen.

METIS, Kamera und Spektrograph zugleich, ist für die Beobachtung im mittleren Infrarotbereich ausgelegt und eignet sich daher ideal für die Untersuchung kalter oder von Staub umhüllter Objekte. „Während sehr heiße Objekte wie unsere Sonne hauptsächlich sichtbares Licht aussenden, strahlen kältere Objekte wie Planeten oder Staubwolken vor allem im mittleren Infrarotbereich. Durch die Analyse des Lichts in diesem Frequenzbereich wird METIS untersuchen, wie sich Sterne und Planeten in Staub- und Gaswolken bilden, und kann durch den Staub im Zentrum von Galaxien blicken, um deren supermassereiche schwarze Löcher zu untersuchen“, erklärt Kieran Leschinski vom Institut für Astrophysik der Universität Wien. Er ist Teil der österreichischen Expert*innengruppe, an der die Universität Wien, die Universität Innsbruck, die Johannes Kepler Universität Linz sowie RICAM Linz/Österreichische Akademie der Wissenschaften beteiligt sind.

Beiträge zur Forschung an Exoplaneten
Darüber hinaus wird METIS voraussichtlich spannende Beiträge zur Erforschung von Exoplaneten leisten, indem es kleine, felsige Exoplaneten beobachtet und die Temperatur, das Wetter und die chemische Zusammensetzung ihrer Atmosphären auf der Suche nach bewohnbaren Welten untersucht. „Mit METIS verfolgen wir ein breites Spektrum wissenschaftlicher Ziele, von der Erforschung der Entstehungsgeschichte unseres Sonnensystems über den Blick in das Zentrum von Galaxien bis hin zur Untersuchung ihrer rätselhaften supermassiven schwarzen Löcher. Der wissenschaftliche Schwerpunkt von METIS liegt auf der Untersuchung von Planetenentstehungsscheiben und kürzlich entstandenen – sowie nahen – Exoplaneten“, so Norbert Przybilla, Professor am Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck.

20 Tonnen-schwere Kamera MICADO wird entfernte Galaxien beobachten
Das zweite Instrument, bei dem der Designprozess kürzlich abgeschlossen wurde, ist die „Multi-AO Imaging Camera for Deep Observations“, kurz MICADO. MICADO wird hochauflösende Bilder des Universums liefern und die Entstehungsmechanismen entfernter Galaxien offenbaren. Bei der Entwicklung von MICADO stand der Wunsch nach höchster Präzision und Stabilität im Vordergrund, um die geforderte hohe Empfindlichkeit, Auflösung, astrometrische Genauigkeit und Abdeckung eines großen Wellenlängenbereichs zu erreichen. Um das gewährleisten zu können, wird das Instrument eine stattliche Größe erreichen: Rund sechs Meter hoch, wird es nicht weniger als 20 Tonnen wiegen.

Das Herzstück des Instruments wird, genauso wie jenes von METIS, in einem Kryostaten untergebracht, der es kühl hält, so dass es im nahen Infrarotbereich effektiv und ohne Störung durch andere Wärmequellen arbeiten kann. Dadurch wird es möglich sein, hochauflösende Bilder des Universums zu erhalten, die die detaillierten Strukturen und Entstehungsmechanismen entfernter Galaxien offenbaren und es den Astronom*innen ermöglichen, einzelne Sterne und Sternsysteme in nahen Galaxien sowie Planeten und deren Entstehung außerhalb unseres Sonnensystems zu untersuchen. Darüber hinaus wird MICADO ein einzigartig leistungsfähiges Instrument zur Erforschung von Umgebungen sein, in denen die Gravitationskräfte extrem stark sind, wie etwa in der Nähe des supermassiven schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie, der Milchstraße.

„Erdgebundene astronomische Beobachtungen werden durch Turbulenzen in der Erdatmosphäre gestört und können auch mit freiem Auge als Blinken der Sterne wahrgenommen werden. Das Team an der JKU Linz und am RICAM leistet mit der Entwicklung der Algorithmen zur Korrektur dieser Turbulenzen mittels verformbarer Spiegel einen wesentlichen Beitrag, um scharfe Bilder ferner Himmelsobjekte aufnehmen zu können“, erklärt Ronny Ramlau, Professor am Institut für Industriemathematik der Johannes Kepler Universität Linz und Scientific Director am RICAM Linz/ÖAW.

Expert*innenstimmen:
Kieran Leschinski, Institut für Astrophysik der Universität Wien: „Das Extremely Large Telescope (ELT) wird das leistungsfähigste optische/infrarote Teleskop sein, das je gebaut wurde. Mit seinem enormen 39-Meter-Hauptspiegel wird das ELT es ermöglichen, die schwächsten und entferntesten Objekte im Kosmos zu beobachten – von den ersten Galaxien, die sich nach dem Urknall gebildet haben, bis hin zu potenziell bewohnbaren Exoplaneten, die nahegelegene Sterne umkreisen. Unser Team hier in Österreich ist verantwortlich für die Entwicklung der Software für MICADO und METIS, die es Astronom*innen ermöglichen wird, bahnbrechende wissenschaftliche Ergebnisse aus den Rohdaten zu gewinnen, die direkt von den Instrumenten des Teleskops kommen.“

Werner Zeilinger, Institut für Astrophysik der Universität Wien: „Die räumliche Auflösung, die das ELT erreicht, ist so hoch, dass eine Lego-Figur auf einer Raumstation beobachtet werden kann. Allerdings führt bei einer solch hohen Auflösung selbst die kleinste Turbulenz in der Atmosphäre dazu, dass die Bilder verschwimmen – ähnlich als ob ich ein Objekt am Boden eines Schwimmbeckens betrachte. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, integriert das Extremely Large Telescope (ELT) mehrere flexible Spiegel, die sich hunderte Male pro Sekunde verformen und so die atmosphärischen Verzerrungen in Echtzeit beseitigen können. Dadurch wird das ELT in Summe in der Lage sein, Bilder deutlich schärfer aufzunehmen als das Hubble-Weltraumteleskop.“

Manuel Güdel, Professor am Institut für Astrophysik der Universität Wien: „METIS wird unser Verständnis von Planetensystemen revolutionieren. Durch seine hochauflösenden Infrarotbilder und -spektren wird es möglich sein, Exoplaneten und ihre Atmosphären in beispielloser Detailgenauigkeit zu untersuchen. Dieses hochmoderne Instrument wird auch dabei helfen, potenziell bewohnbare Welten zu identifizieren und uns näher an die Beantwortung der tiefgreifenden Frage bringen, ob Leben außerhalb unseres Sonnensystems existiert. Zudem wird METIS Einblicke in die Sternentstehung und die Bedingungen rund um junge Sterne geben, welche wiederum die Planetenentstehung und -entwicklung antreiben.“

Wolfgang Kausch, Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck: „Damit wir mit MICADO die geforderte hohe Empfindlichkeit, Auflösung, astrometrische Genauigkeit und Abdeckung eines großen Wellenlängenbereichs in der ELT-Umgebung erreichen, wird das Instrument nicht weniger als 20 Tonnen wiegen und eine Höhe von sechs Metern haben.“

Roland Wagner (RICAM Linz, ÖAW): „Innerhalb von MICADO wird am RICAM der ÖAW und an der JKU Linz eine Software zur Bewertung der Bildqualität mittels der sogenannten Point Spread Function entwickelt. Damit können in der Analyse der Bilder die Eigenschaften der beobachteten Sterne genauer als bisher bestimmt werden. Die Methode dafür wird gerade an Daten bereits existierender Teleskope getestet.“

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• ESO Teleskop ELT

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Quelle: Universität zu Köln 25. Juli 2023.

25. Juli 2023 – Von der Erde über ferne Exoplaneten bis hin zum Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße: Das Ausstellungsschiff MS Wissenschaft nimmt seine Besucher*innen unter dem Motto „Wissenschaftsjahr 2023 – Unser Universum“ mit auf eine Reise durch den Kosmos. Mehrere der über 30 interaktiven Exponate an Bord werden von Forschungseinrichtungen aus der Region zur Verfügung gestellt.

Am Exponat der Universität zu Köln wird veranschaulicht, wie mit Infrarotteleskopie die Entstehung von Planeten, Sternen und Galaxien beobachtet werden kann. Zu sehen sind verkleinerte Modelle von Observatorien, die in Zukunft von Astronom*innen zur Erforschung des unsichtbaren Infrarot-Universums genutzt werden sollen und ähnlich wie das James Webb Weltraumteleskop eindrucksvolle Bilder und Einblicke geben werden. Allerdings von der Erde aus.

Termin:
Montag 31. Juli bis Mittwoch 2. August 2023, 10 bis 19 Uhr
MS Wissenschaft „Wissenschaftsjahr 2023 – Unser Universum“
Anlegestelle: Mülheim, Kohlplatz, Höhe Peter-Müller-Straße
Kostenlose Führungen durch die Ausstellung: Täglich 11 und 17 Uhr

„Wir wollen den Besucherinnen und Besuchern des Wissenschaftsschiffs vermitteln, welcher technische Aufwand nötig ist, um mehr über die Weiten des Alls zu erfahren“, sagt Professor Dr. Lucas Labadie. Die Forschung seiner Arbeitsgruppe trägt zum Bau des METIS-Instruments des „Extremely Large Telescope“ bei. Das nur circa 15 Zentimeter große Ausstellungsmodell des „Extremely Large Telescope“ hat im Original eine Höhe von 80 Metern. Das entspricht etwa der Höhe des Kölner Messeturms. Der Hauptspiegel des Teleskops wird einen Durchmesser von 40 Meter haben und 15 Mal mehr Licht sammeln als sein Vorgängermodell, das „Very Large Telescope“.

Die Gruppe des Astrophysikers Professor Dr. Dominik Riechers spielt eine zentrale Rolle im Aufbau des CCAT/FYST Submillimeter-Teleskops. Dieses ist auch als Modell zu sehen und wird nächstes Jahr in 5600 Meter Höhe auf dem Cerro Chajnantor in der chilenischen Atacama-Wüste in Betrieb genommen. Es wird das weltweit höchste Observatorium seiner Art. „Durch die dünne Atmosphäre in dieser Höhe und die Trockenheit der Wüste werden Beobachtungen in diesem Bereich erst möglich und werden nicht mehr durch den Wasserdampf der Atmosphäre gestört,“ erklärt Professor Riechers.

Zusätzlich zeigt die Ausstellung, wie sich unterschiedliche wissenschaftliche Disziplinen von der Astrophysik bis zur Kunstgeschichte mit dem Weltraum beschäftigen. So illustrieren die verschiedenen Exponate, wie vielfältig die Erforschung des Universums ist und welche Erkenntnisse aus der Wissenschaft auch eine Bedeutung für unseren Alltag haben.

Die MS Wissenschaft tourt im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung durch Deutschland. Wissenschaft im Dialog (WiD) realisiert die Ausstellung mit Unterstützung der hinter WiD stehenden Wissenschaftsorganisationen. Die Exponate kommen direkt aus der Forschung und werden zur Verfügung gestellt von Instituten wie der Fraunhofer-Gesellschaft, der Helmholtz-Gemeinschaft, der Leibniz-Gemeinschaft, der Max-Planck-Gesellschaft und DFG-geförderten Projekten, Hochschulen sowie weiteren Partnern. Die Ausstellung wird für Besucher*innen ab zwölf Jahren empfohlen.

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• Raumfahrt-Museen und Ausstellungen

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 15. Mai 2023.

15. Mai 2023 – Das MPIA ist ein Konsortialpartner in beiden Projekten und hat gerade mit dem Bau verschiedener Teilsysteme der Instrumente begonnen. Eine Mini-Dokumentation über beide Instrumente wurde während einer Live-Veranstaltung auf dem YouTube-Kanal der ESO am Freitag, dem 12. Mai 2023 gezeigt.

„Ich freue mich sehr, dass die ersten Teilstücke in den Labors und Werkstätten unserer Partner in ganz Europa ankommen“, sagt Eckhard Sturm, der MICADO-Projektleiter und Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE). Um diesen wichtigen Meilenstein des Projekts zu würdigen, hat die ESO (Europäische Südsternwarte) zusammen mit den MICADO- und METIS-Konsortien die ersten beiden einer Reihe von Erklärvideos produziert. Sie wurden während einer Live-Veranstaltung am Freitag, den 12. Mai gezeigt, in der unsere Wissenschaftlerinnen Nadine Neumayer und Silvia Scheithauer Fragen zu den beiden Projekten beantworteten.

MICADO ist die Multi-AO Imaging Camera for Deep Observations. Sie wird das Extremely Large Telescope (ELT), dessen Hauptspiegel einen Durchmesser von 39 Metern haben wird, mit einem der ersten Instrumente mit einer beugungsbegrenzten Bildgebung und Langspaltspektroskopie im nahen Infrarotbereich ausstatten. MICADO wird unter der Leitung des MPE von einem Konsortium von Partnern aus Deutschland, Frankreich, den Niederlanden, Österreich, Italien und Finnland zusammen mit der ESO entwickelt und gebaut.

METIS, der Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph, ist ein weiteres ELT-Instrument der ersten Generation. Es wird die Beobachtungsmöglichkeiten im Infraroten ergänzen, indem es den mittleren Infrarotbereich abdeckt. METIS bietet beugungsbegrenzte Bildgebung, niedrig- und mittelauflösende Spaltspektroskopie und Koronografie für eine kontrastreiche Bildgebung bei Wellenlängen zwischen 3 und 13 Mikrometern und hochauflösende integrale Feldspektroskopie zwischen 3 und 5 Mikrometern. Es wird von einem europäischen Konsortium unter der Leitung des PI-Instituts NOVA (Niederländische Forschungseinrichtung für Astronomie) in den Niederlanden mit zwölf Partnern aus Deutschland, Großbritannien, Frankreich, der Schweiz, Belgien, Portugal, Österreich, Taiwan und den USA gebaut.

Das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, Deutschland, spielt eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung und Herstellung beider Instrumente. Der koverantwortliche Forscher für MICADO und lokaler Instrumentenwissenschaftler Jörg-Uwe Pott leitet das MICADO-Team am MPIA. Ralph Hofferbert als lokaler Projektmanager und Friedrich Müller als Systemingenieur ergänzen es.

Das MPIA liefert die warme Voroptik von MICADO, die das Sternenlicht vom Teleskop mit minimalem Verlust an Empfindlichkeit und Bildschärfe in die kalte Kamera-Optik leitet. Darüber hinaus liefert das MPIA die Kalibrierungseinheit für alle wissenschaftlichen Standardbeobachtungsmodi.

Die High-Tech-Funktionen von MICADO und METIS versetzen sie in die Lage, weit über die Fähigkeiten der besten Observatorien von heute hinauszugehen, einschließlich des Hubble- und des James Webb-Weltraumteleskops. So wird die Empfindlichkeit von MICADO mit der des JWST vergleichbar sein, jedoch mit der sechsfachen Auflösung. Auf diese Weise wird MICADO Exoplaneten erforschen, die detaillierte Struktur entfernter Galaxien enthüllen und einzelne Sterne in nahen Galaxien untersuchen. MICADO wird auch ein einzigartiges und leistungsfähiges Instrument zur Erforschung von Umgebungen sein, in denen Gravitationskräfte und allgemeine relativistische Effekte extrem stark sind, wie in der Nähe des supermassereichen schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie, der Milchstraße.

METIS verfügt über eine viel höhere spektrale und räumliche Auflösung als JWST und ermöglicht den Astronominnen und Astronomen, die Details der Stern- und Planetenentstehung sowie die extrem dünnen Atmosphären von Gesteins-Exoplaneten zu untersuchen. Da METIS im mittleren Infrarot beobachten wird, wird es vorwiegend kühle Objekte wie Gas- und Staubwolken erforschen – und dringt dabei in Galaxien vor, die nie ein Mensch zuvor gesehen hat. Als ein weiteres aufregendes Forschungsfeld wird METIS nachschauen, ob unsere nächsten stellaren Nachbarn Gesteinsplaneten wie die Erde beherbergen.

Als zweitgrößter Partner des METIS-Konsortiums liefert das MPIA Teilsysteme wie die bildgebende Kamera und die adaptive Optik (AO). Die AO korrigiert atmosphärische Verzerrungen und ist daher für beugungsbegrenzte Beobachtungen mit METIS unerlässlich.

Der verantwortliche Wissenschaftler am MPIA für METIS ist Markus Feldt. Er ist zudem mitverantwortlich für wissenschaftliche Ausrichtung des METIS-Projekts. Weitere Teammitglieder am MPIA sind die lokale Projektmanagerin Silvia Scheithauer, der Instrumentenwissenschaftler Roy van Boekel, der Leiter der Kalibrierung Wolfgang Brandner und der Leiter der adaptiven Optik (AO) Thomas Bertram. „METIS ist ein enorm komplexes Instrument mit höchsten Anforderungen an Genauigkeit und Leistung. An der Realisierung eines solchen Instruments in Zusammenarbeit mit 12 europäischen und weltweiten Partnern beteiligt zu sein, ist einzigartig!“ sagt Markus Feldt.

Das ELT mit MICADO und METIS soll noch in diesem Jahrzehnt in Betrieb gehen.

MICADO-Mini-Dokumentation:
https://streaming-eu.mpg.de/de/institute/mpia/videos_website/MICADO_Movie_1080p.mp4

METIS-Mini-Dokumentation:
https://streaming-eu.mpg.de/de/institute/mpia/videos_website/METIS_Movie_MASTER_FINAL_2160p_4K_WEB.mp4

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• ESO Teleskop ELT

Der Beitrag Die Fertigung von MICADO und METIS für das ELT hat begonnen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 8. Mai 2023.

Während der Veranstaltung werden wir zwei Mini-Dokumentarfilme über die Instrumente vorstellen, gefolgt von einer Fragerunde mit den Experten, die dahinter stehen. Die Teilnehmer können ihre Fragen auf Twitter unter #askESO stellen, aber auch live auf Facebook und YouTube. Klicken Sie auf „Zusagen/Interessiert“ auf Facebook bzw. „Benachrichtigung aktivieren“ auf YouTube, um informiert zu werden, wenn die Live-Show beginnt.

Das ELT der ESO ist ein revolutionäres bodengebundenes Teleskop mit einem 39-Meter-Hauptspiegel, das damit das größte Teleskop für sichtbares und infrarotes Licht der Welt sein wird. Das ELT wird sich mit einigen der größten wissenschaftlichen Herausforderungen unserer Zeit befassen. Um dies zu erreichen, wird das ELT mit einer Reihe von Spitzeninstrumenten ausgestattet sein.

Die erste Generation von Instrumenten wird HARMONI, METIS, MICADO und MORFEO umfassen. Zwei weitere Instrumente werden zu einem späteren Zeitpunkt hinzukommen: ANDES und MOSAIC.

METIS wird den Infrarot-Wellenlängenbereich abdecken. Es wird ein breites Spektrum wissenschaftlicher Themen untersuchen, von Objekten in unserem Sonnensystem bis hin zu weit entfernten aktiven Galaxien.

MICADO wird hochauflösende Bilder im nahen Infrarotbereich aufnehmen. Damit ist das Instrument ideal für die Identifizierung von Exoplaneten, aber auch für die Auflösung einzelner Sterne in anderen Galaxien und die Erforschung des geheimnisvollen Zentrums der Milchstraße.

YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=zgHFdokFyLU
Facebook: https://fb.me/e/2JtKDmBbR

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

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Quelle: ESON 8. März 2023.

Das Wasser trägt eine chemische Signatur, die die Reise des Wassers von sternbildenden Gaswolken zu Planeten erklärt und die Idee unterstützt, dass das Wasser auf der Erde sogar älter ist als unsere Sonne.

„Wir können jetzt die Ursprünge des Wassers in unserem Sonnensystem bis in die Zeit vor der Entstehung der Sonne zurückverfolgen“, sagt John J. Tobin, Astronom am National Radio Astronomy Observatory, USA, und Hauptautor der heute in Nature veröffentlichten Studie.

Die Entdeckung wurde durch die Untersuchung der Zusammensetzung von Wasser in der planetenbildenden Scheibe V883 Orionis gemacht, die etwa 1300 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Wenn eine Wolke aus Gas und Staub kollabiert, bildet sich in ihrem Zentrum ein Stern. Zusätzlich entsteht aus dem Material der Wolke eine Scheibe um den Stern. Im Laufe von einigen Millionen Jahren verklumpt die Materie in der Scheibe und bildet Kometen, Asteroiden und schließlich Planeten. Tobin und sein Team nutzten ALMA, an dem die Europäische Südsternwarte (ESO) beteiligt ist, um chemische Signaturen des Wassers und dessen Weg von der Sternentstehungswolke zu den Planeten zu messen.

Wasser besteht normalerweise aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen. Tobins Team untersuchte eine etwas schwerere Version von Wasser, bei der eines der Wasserstoffatome durch Deuterium – ein schweres Isotop des Wasserstoffs – ersetzt ist. Da sich einfaches und schweres Wasser unter unterschiedlichen Bedingungen bilden, kann ihr Verhältnis dazu genutzt werden, um festzustellen, wann und wo das Wasser entstanden ist. So hat sich beispielsweise gezeigt, dass dieses Verhältnis in einigen Kometen des Sonnensystems dem des Wassers auf der Erde ähnelt, was darauf hindeutet, dass Kometen Wasser auf die Erde gebracht haben könnten.

Die Reise des Wassers von Wolken zu jungen Sternen und später von Kometen zu Planeten wurde bereits beobachtet, aber bisher fehlte die Verbindung zwischen den jungen Sternen und den Kometen. „V883 Orionis ist in diesem Fall das fehlende Glied“, sagt Tobin. „Die Zusammensetzung des Wassers in der Scheibe ist der von Kometen in unserem eigenen Sonnensystem sehr ähnlich. Dies bestätigt die Idee, dass das Wasser in Planetensystemen vor Milliarden von Jahren vor der Sonne im interstellaren Raum entstanden ist und sowohl von Kometen als auch von der Erde relativ unverändert übernommen wurde.“

Doch die Beobachtung des Wassers erwies sich als schwierig. „Das meiste Wasser in planetenbildenden Scheiben ist als Eis gefroren, so dass es uns normalerweise verborgen bleibt“, sagt Mitautorin Margot Leemker, Doktorandin am Observatorium Leiden in den Niederlanden. Gasförmiges Wasser kann dank der Strahlung, die von den Molekülen bei ihren Drehungen und Schwingungen ausgesandt wird, nachgewiesen werden, aber mit gefrorenem Wasser ist es komplizierter, da die Bewegung der Moleküle stärker behindert wird. Gasförmiges Wasser findet sich in der Nähe des Sterns, in der Mitte der Scheiben, wo es wärmer ist. Diese nahen gelegenen Regionen werden jedoch von der Staubscheibe selbst verdeckt und sind außerdem zu klein, um mit unseren Teleskopen erfasst zu werden.

Glücklicherweise wurde in einer kürzlich durchgeführten Studie nachgewiesen, dass die Scheibe von V883 Orionis ungewöhnlich heiß ist. Ein dramatischer Energieausbruch des Sterns heizt die Scheibe „auf eine Temperatur auf, bei der das Wasser nicht mehr in Form von Eis, sondern als Gas vorliegt, so dass wir es nachweisen können“, sagt Tobin.

Dazu nutze das Team ALMA, eine Anordnung von Radioteleskopen im Norden Chiles. Dank der Empfindlichkeit und der Fähigkeit, kleine Details zu erkennen, konnten sie sowohl das Wasser aufspüren und seine Zusammensetzung bestimmen als auch seine Verteilung innerhalb der Scheibe kartieren. Die Beobachtungen ergaben, dass diese Scheibe mindestens 1200 Mal so viel Wasser enthält wie alle Ozeane der Erde.

In Zukunft wollen sie das kommende Extremely Large Telescope der ESO und dessen Instrument der ersten Generation, METIS, nutzen. Dieses Instrument für den mittleren Infrarotbereich wird den gasförmigen Teil des Wassers in solchen Scheiben auflösen können, um so den Weg des Wassers von den Sternentstehungswolken bis hin zum Sonnensystem besser zu verstehen. „Dies wird uns einen viel umfassenderen Blick auf das Eis und das Gas in Planeten bildenden Scheiben ermöglichen“, so Leemker abschließend.

Weitere Informationen
Diese Forschungsarbeit wurde in dem Artikel „Deuterium-enriched water ties planet-forming disks to comets and protostars“ vorgestellt, der in Nature erscheint (doi: 10.1038/s41586-022-05676-z).

Das Team besteht aus John J. Tobin (National Radio Astronomy Observatory, USA), Merel L. R. van’t Hoff (Department of Astronomy, University of Michigan, USA), Margot Leemker (Leiden Observatorium, Universität Leiden, Niederlande [Leiden]) , Ewine F. van Dishoeck (Leiden), Teresa Paneque-Carreño (Leiden; Europäische Südsternwarte, Deutschland), Kenji Furuya (Nationales Astronomisches Observatorium von Japan, Japan), Daniel Harsono (Institut für Astronomie, Nationale Tsing Hua Universität, Taiwan), Magnus V. Persson (Department of Space, Earth and Environment, Chalmers University of Technology, Onsala Space Observatory, Schweden), L. Ilsedore Cleeves (Department of Astronomy, University of Virginia, USA), Patrick D. Sheehan (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astronomy, Northwestern University, USA) und Lucas Cieza (Núcleo de Astronomía, Facultad de Ingeniería, Millennium Nucleus on Young Exoplanets and their Moons, Universidad Diego Portales, Chile).

Über die ESO
Die Europäische Südsternwarte (ESO) befähigt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit, die Geheimnisse des Universums zum Nutzen aller zu entdecken. Wir entwerfen, bauen und betreiben Observatorien von Weltrang, die Astronominnen und Astronomen nutzen, um spannende Fragen zu beantworten und die Faszination der Astronomie zu wecken, und wir fördern die internationale Zusammenarbeit in der Astronomie. Die ESO wurde 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründet und wird heute von 16 Mitgliedstaaten (Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Finnland, Irland, Italien, den Niederlanden, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, der Schweiz, Spanien, der Tschechischen Republik und dem Vereinigten Königreich) sowie dem Gastland Chile und Australien als strategischem Partner unterstützt.

Der Hauptsitz der ESO und ihr Besucherzentrum und Planetarium, die ESO Supernova, befinden sich in der Nähe von München in Deutschland, während die chilenische Atacama-Wüste, ein wunderbarer Ort mit einzigartigen Bedingungen für die Himmelsbeobachtung, unsere Teleskope beherbergt. Die ESO betreibt drei Beobachtungsstandorte: La Silla, Paranal und Chajnantor. Am Standort Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope und das dazugehörige Very Large Telescope Interferometer sowie zwei Durchmusterungsteleskope, VISTA, das im Infraroten arbeitet, und das VLT Survey Telescope für sichtbares Licht. Ebenfalls am Paranal wird die ESO das Cherenkov Telescope Array South betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium der Welt. Zusammen mit internationalen Partnern betreibt die ESO auf Chajnantor APEX und ALMA, zwei Einrichtungen zur Beobachtung des Himmels im Millimeter- und Submillimeterbereich. Auf dem Cerro Armazones in der Nähe von Paranal bauen wir „das größte Auge der Welt am Himmel“ – das Extremely Large Telescope der ESO. Von unseren Büros in Santiago, Chile, aus unterstützen wir unsere Aktivitäten im Land und arbeiten mit chilenischen Partnern und der Gesellschaft zusammen.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

Forschungsarbeit
https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso2302/eso2302a.pdf

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• ESO-Projekt *ALMA*

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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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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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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.

26. November 2021 – Nach ihren ersten Umläufen um die Sonne kehrt die ESA-Raumsonde Solar Orbiter am kommenden Samstag, 27. November, ganz in die Nähe der Erde zurück. Der Vorbeiflug in einem Abstand von nur 460 Kilometern ändert Flugbahn und -geschwindigkeit der Sonde so, dass sie sich auf ihrer nächsten Umlaufbahn der Sonne bis auf den bisher kürzesten Abstand von 50 Millionen Kilometern nähern kann. Das Manöver markiert zudem einen wichtigen Meilenstein der Mission: Die Inbetriebnahme der wissenschaftlichen Instrumente ist abgeschlossen; nun beginnt der regelmäßige Messalltag. Für die Instrumente PHI, EUI, Metis und SPICE, zu denen das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen beigetragen hat, stehen für die Zukunft auch zeitgleiche Messungen mit erdnahen Forschungssatelliten und bodengebundenen Observatorien auf dem Programm. Diese Art des wissenschaftlichen Teamworks läßt sich derzeit besonders gut vorbereiten und optimieren.

Auf ihrem Weg ins äußere oder innere Sonnensystem nutzen Raumsonden häufig Vorbeiflug-Manöver, um Schwung zu holen oder abzubremsen. Dass sie sich dabei so nahe an den jeweiligen Planeten heranwagen wie jetzt Solar Orbiter, ist eine Seltenheit. Am Samstag, 27. November, um 5.30 Uhr (MEZ) wird der Sonnenspäher in einem Abstand von gerade einmal 460 Kilometern über Nordafrika und den Kanaren vorbeisausen. Das ist nur wenig mehr als die Entfernung zwischen der Erde und der internationalen Raumstation. Auf ihrer Route muss die Sonde dabei zwei Gebiete mit Weltraumschrott durchqueren, die unseren Planeten wie Kugelschalen umgeben: eins in einem Abstand von etwa 36.000 Kilometern über der Erdoberfläche und ein anderes in einem Abstand von weniger als 2.000 Kilometern. Das Kontrollzentrum der ESA in Darmstadt wird den Vorbeiflug überwachen und kann gegebenenfalls den Kurs korrigieren.

Auch aus wissenschaftlicher Sicht ist der Vorbeiflug ein besonderes Ereignis. Den in situ-Instrumenten von Solar Orbiter bietet er die Gelegenheit zu untersuchen, wie das Magnetfeld der Erde und die darin gefangenen Teilchen mit dem Sonnenwind wechselwirken. Zusammen mit den Messungen der erdnahen Forschungssatelliten der Cluster- und Swarm-Missionen, die dieses Zusammenspiel routinemäßig überwachen, ergibt sich so ein genaueres und vollständigeres Bild der irdischen Umgebung. „Cluster wird während des Vorbeiflugs in einen Modus umgeschaltet, der es erlaubt, die Messdaten in höchster Qualität zur Erde zu übertragen“, berichtet MPS-Wissenschaftler Dr. Patrick Daly, wissenschaftlicher Leiter des Cluster-Instruments RAPID (Research with Adaptive Particle Imaging Detectors). „Dies ist eine ausgezeichnete Basis für gemeinsame Studien“, fügt er hinzu.

Zusammenarbeit mit Vorlauf
Die Solar Orbiter-Instrumente PHI (Polarimetric and Helioseismic Imager), EUI (Extreme-Ultraviolett Imager), SPICE (Spectral Imaging oft he Coronal Environment) und der Koronagraph Metis, zu denen das MPS beigetragen hat, führen in genau vorausgeplanten Zeitfenstern wissenschaftliche Beobachtungen durch. Derzeit, während der erdnahen Flugphase, sind sie im Stand-By-Betrieb. Zeitgleiche und abgestimmte Messungen mit bodengebundenen und erdnahen Sonnenobservatorien wie etwa dem Solar Dynamics Observatory (SDO) der NASA und der japanischen Sonde Hinode fanden bereits Anfang des Monats statt. Zu diesem Zeitpunkt war Solar Orbiter schon so nah an der Erde, dass sich all diesen Sonnenspähern ein ähnlicher Blick auf unseren Stern bot. Für spätere gemeinsame Beobachtungskampagnen ist das eine wichtige Voraussetzung.

„Eine der großen Stärken von Solar Orbiter ist, dass die Sonde die Sonne umrundet und so auch immer wieder ihre Rückseite zu sehen bekommt“, erklärt Prof. Dr. Sami K. Solanki, Direktor am MPS und Leiter des PHI-Teams. „Wenn erdnahe Satelliten wie SDO und Hinode dann zeitgleich auf die Sonne schauen, können wir die Sonne erstmals zu ein und demselben Zeitpunkt in ihrer Gesamtheit sehen“, ergänzt er.

Damit diese Art von wissenschaftlichem Teamwork optimal funktioniert, müssen die Messdaten der verschiedenen Sonden miteinander vergleichbar sein. „Es muss sichergestellt sein, dass die Instrumente für dasselbe Phänomen auf der Sonne denselben Messwert liefern“, erklärt Dr. Johann Hirzberger vom MPS, Operations Scientist von PHI. Eine solche Kreuz-Kalibration ist nur in einer Phase wie derzeit möglich, in der die beteiligten Instrumente vom selben Standpunkt auf die Sonne schauen können. Eine weitere Gelegenheit zu gemeinsamen Kalibrationsmessungen ergibt sich im März nächsten Jahres. Dann wird Solar Orbiter bereits den halben Weg zwischen Erde und Sonne zurückgelegt haben und Messdaten mit deutlich höherer Auflösung liefern.

Arbeitsalltag im All
Nach dem Erd-Vorbeiflug beginnt für Solar Orbiter der Arbeitsalltag: Die Inbetriebnahme ist abgeschlossen; die Fernerkundungsinstrumente beginnen ihren wissenschaftlichen Normalbetrieb. „Die vergangenen Monate seit dem Start haben wir genutzt um kennenzulernen, wie sich die Instrumente unter Weltraumbedingungen verhalten. Wir haben gesehen, was die Instrumente leisten können“, so Solanki. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler freuen sich nun auf die kommenden Messungen.

Bereits die Daten, die während der Inbetriebnahme anfielen, haben es in sich. So konnte das PHI-Team bereits im Februar dieses Jahres koordinierte Messungen mit anderen Sonnenspähern durchführen, die einen ersten Rundum-Blick auf die Sonne erlauben. Das Instrument EUI entdeckte Anfang dieses Jahres kleine, hell aufleuchtende Regionen in der Sonnenkorona, der heißen Atmosphäre der Sonne. Die Mini-Strahlungsausbrüche, so genannte Campfires, treten deutlich häufiger auf als erwartet und können helfen, die Vorgänge in der Sonnenkorona besser zu verstehen. Durch gemeinsame Messungen der verschiedenen Teleskope von Solar Orbiter gelingt es, die Massenauswürfe von der Sonnenoberfläche bis in den Weltraum zu verfolgen.

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