Quelle: MPS/Aktuelles/Nachrichten/ESA-Raumsonde Vigil soll vor Sonnenstürmen warnen, 28. November 2025

• Die ESA-Ministerratskonferenz hat den weiteren Fahrplan für die Weltraummission Vigil beschlossen. Die Raumsonde soll ab 2031 gefährliches Weltraumwetter vorhersagen.
• Vigil schaut aus bisher ungenutzter Beobachtungsposition auf die Sonne. Die Vorwarnzeit vor Sonnenstürmen verlängert sich so um bis zu fünf Tage.
• Der Photospheric Magnetic Field Imager (PMI) von Vigil wird unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung entwickelt und gebaut. Arbeiten an dem Instrument haben bereits begonnen.
• PMI liefert beinahe ununterbrochen und in Echtzeit detaillierte Karten des Magnetfeldes an der sichtbaren Sonnenoberfläche. Das ist auch für wissenschaftliche Zwecke wertvoll.

Von der Erdoberfläche oder aus Erdnähe im All schauen mehrere Teleskope und Raumsonden unentwegt auf die Sonne. Wenn sich dort eine möglicherweise gefährliche Sonneneruption zusammenbraut, merken sie es als erste – jedoch mit einer recht kurzen Vorwarnzeit von höchstens drei Tagen. Denn ebenso wie die Planeten rotiert auch die Sonne um die eigene Achse. Die Regionen, die das künftige Weltraumwetter auf der Erde bestimmen, drehen sich erst nach und nach in unser Sichtfeld; die ersten Anzeichen eines gefährlichen Sonnensturms bleiben uns so verborgen. Ein effektiveres Vorwarnsystem benötigt deshalb in erster Linie einen Perspektivenwechsel.

Die Sonne im Blick mit dem Photospheric Magnetic Field Imager der Raumsonde Vigil
Die Raumsonde Vigil wird aus einzigartiger Beobachtungsperspektive vor gefährlichem Weltraumwetter warnen. Mit an Bord: der Photospheric Magnetic Field Imager vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.

Diesen soll die ESA-Sonde Vigil ermöglichen. Ihr Start ist für 2031 geplant. In einem Abstand von etwa 150 Millionen Kilometern wird die Sonde der Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne folgen. Vigil schaut so auf die Seite der Sonne, die sich der Erde erst vier bis fünf Tage später zuwendet. Der anvisierte Beobachtungsposten zählt zu den so genannten Lagrange-Punkten. Dies sind insgesamt fünf Positionen im Sonne-Erde-System, an denen eine Raumsonde im Gleichtakt mit der Erde um die Sonne kreisen kann. Der Punkt L5 wurde in der Weltraumforschung bisher noch nicht genutzt.

Vigil wird die Sonne vom Lagrange-Punkt L5 beobachten. Die Sonde folgt der Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne und hat so Regionen der Sonne im Blick, bevor sie von der Erde aus sichtbar sind. Der Lagrange-Punkt L1 ist Arbeitsplatz des altgedienten Sonnenobservatoriums Solar and Heliospheric Observatory (SOHO); vom Langrange-Punkt L2 aus blickt das James-Webb-Teleskop (JWT) ins All.

Ein Instrument und sein Vorgänger
Vier Messinstrumente werden an Bord von Vigil in verschiedene Schichten der Sonne schauen: von der Oberfläche über die innere bis in die äußere Atmosphäre. Zudem misst die Sonde mit zwei Instrumenten den Sonnenwind, der die Raumsonde an Ort und Stelle umströmt. Vigils Photospheric Magnetic Field Imager (PMI), der derzeit am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) entsteht, hat die Oberfläche der Sonne im Blick und bestimmt Stärke und Richtung des dortigen Magnetfeldes. Wenn sich das Magnetfeld stellenweise umstrukturiert und Energie freisetzt, kann das eine Sonneneruption auslösen.

Erste Anzeichen für eine drohende Sonneneruption zeigen sich oftmals schon an der Oberfläche der Sonne. Solche Hinweise wird Vigil dank PMI früher als andere Sonnenspäher erkennen.
Sami K. Solanki, MPS-Direktor und wissenschaftlicher Leiter des PMI-Teams

Vorbild für PMI ist das Instrument PHI (Photospheric and Helioseismic Imager), das seit 2020 an Bord der ESA-Raumsonde Solar Orbiter um die Sonne kreist. Auch PHI wurde unter Leitung des MPS entwickelt und gebaut. „Die Erfahrung, die wir in den vergangenen Jahren beim Bau von PHI gesammelt haben, sind für unseren Beitrag zu Vigil sehr wertvoll“, so PMI-Projektmanager Jan Staub vom MPS. Eine exakte Kopie von PHI ist das neue Instrument jedoch nicht. Anders als PHI soll PMI beinahe in Echtzeit und im Dauerbetrieb die Grundlage für Weltraumwettervorhersagen liefern.

Der Einsatz für Weltraumwettervorhersagen stellt höchste Anforderungen an die Verlässlichkeit unseres Instruments.
Jan Staub, PMI-Projektmanager

Wissenschaftliche Anwendungen
Der ununterbrochene Datenstrom aus einzigartiger Perspektive ist nicht nur zur Vorhersage von Sonnenstürmen, sondern auch unter Forschenden gefragt. Besonders in Zusammenarbeit mit anderen Raumsonden ergeben sich neue Möglichkeiten:

• Ansichten der Sonnenrückseite:
  Durch Methoden der Helioseismologie könnte Vigil seinen Wissensvorsprung noch weiter vergrößern. Schallwellen durchlaufen die Sonne und verbinden so ihre erdabgewandte und ihre erdzugewandte Seite. Da sich solche Wellen unter dem Einfluss starker Magnetfelder schneller ausbreiten, ist es möglich, durch Beobachtungen der Schallwellen an der erdzugewandten Sonnenoberfläche auf Regionen hoher magnetischer Aktivität auf der Rückseite der Sonne zu schließen. Große und komplexe aktive Regionen sind oftmals potentielle Ausgangsorte zukünftiger Sonneneruptionen. „Vigils Perspektive vom Lagrange-Punkt L5 wird es uns erlauben, aktive Regionen auf der Rückseite der Sonne mit verbesserter Genauigkeit und Verlässlichkeit aufzuspüren“, so Laurent Gizon, Geschäftsführender Direktor des MPS.
• Magnetfeldmessungen:
  Das Magnetfeld der Sonne ist Motor vieler Prozesse auf unserem Stern – und Schlüssel zu seinem Verständnis. Doch bisher lässt sich nur die Magnetfeldkomponente in Blickrichtung eindeutig und routinemäßig messen. Für Abhilfe kann ein Stereo-Blick auf die Sonne aus zwei Perspektiven sorgen. So lässt sich auch die Magnetfeldkomponente senkrecht zur Blickrichtung zweifelsfrei bestimmen, wie Forschende des MPS bereits zeigen konnten. Dafür werteten sie gleichzeitig aufgenommene Daten der ESA-Raumsonde Solar Orbiter und der erdnahen NASA-Raumsonde Solar Dynamics Observatory (SDO) aus. Durch Vigil werden solche Daten erstmals ständig zur Verfügung stehen.
• Helligkeit von Sonnenfackeln:
  Um die Gesamthelligkeit der Sonne und ihre Schwankungen einzuschätzen, sind neben den dunklen Sonnenflecken auch Sonnenfackeln von maßgeblicher Bedeutung. Das sind besonders helle Gebiete auf der Sonnenoberfläche mit hohen magnetischen Feldstärken. Entscheidende Eigenschaften von Sonnenfackeln lassen sich nur unzureichend messen, wenn sie von der Erde aus betrachtet am Rand der Sonne liegen. „Mit einer Seitenansicht auf diese Regionen können wir die Magnetfelder der Fackeln besser bestimmen und mehr über ihre Helligkeit erfahren“, erklärt Kinga Albert vom MPS, die entsprechende Studien mit Daten der ESA-Raumsonde Solar Orbiter und SDO durchgeführt hat.

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• ESA Sonnenmission Vigil (früher Lagrange)

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Quelle: MPS/Forschung/Planetenwissenschaften/Arbeitsgruppen/Planetare Materialien/Theia und Erde waren Nachbarn, 20. November 2025

In Kürze:

• Zutatenliste des Impaktors: In der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Science bestimmen Forschende die mögliche Zusammensetzung von Theia.
• Suche nach Geburtsort: Aus den „Zutaten“ des Einschlagskörpers lässt sich auf seinen Entstehungsort schließen. Dieser liegt im inneren Sonnensystem, wahrscheinlich sonnennäher als der der Erde.
• Mondproben im Labor: Bei den Analysen kam Mondgestein der Apollo-Missionen zum Einsatz. Erstmals nutzen Forschende das Verhältnis der Eisenisotope darin, um den Ursprung von Theia zu bestimmen.

Vor etwa 4,5 Milliarden Jahren kam es zu dem wohl folgenreichsten Ereignis in der Geschichte unseres Planeten: Ein gewaltiger Himmelskörper, genannt Theia, schlug in die junge Erde ein. Wie sich der Zusammenstoß abspielte und was genau danach geschah, ist nicht endgültig geklärt. Sicher ist jedoch, dass sich als Folge Größe, Aufbau, Zusammensetzung und Umlaufbahn der Erde veränderten – und dass der Einschlag die Geburtsstunde unseres ständigen Begleiters im All, des Mondes, war.

Was war das für ein Körper, der den Werdegang unseres Planeten so dramatisch umschrieb? Wie groß war Theia? Aus welchem Material bestand sie? Und aus welchem Teil des Sonnensystems raste sie auf die Erde zu? Antworten auf solche Fragen zu finden, ist schwierig. Schließlich wurde Theia bei der Kollision vollständig zerstört. Dennoch finden sich noch heute Spuren von ihr, etwa in der Zusammensetzung der heutigen Erde und des Mondes. In der aktuellen Untersuchung, die am 20. November 2025 in der Fachzeitschrift Science erschien, schließen Forschende unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) und der Universität von Chicago auf diesem Wege auf die mögliche „Zutatenliste“ von Theia – und so auf ihren Entstehungsort.

In der Zusammensetzung eines Körpers ist seine gesamte Entstehungsgeschichte archiviert, auch sein Entstehungsort.
Thorsten Kleine, Direktor am MPS und Koautor der neuen Studie

Besonders aussagekräftig sind die Verhältnisse, in denen bestimmte Metallisotope in einem Körper vorliegen. Isotope sind Varianten desselben Elements, die sich allein durch die Anzahl ihrer Neutronen im Atomkern – und damit durch ihr Gewicht – unterscheiden. Im frühen Sonnensystem dürften die Isotope eines jeweiligen Elementes nicht gleichverteilt gewesen sein: Am äußeren Rand des Sonnensystems etwa kamen die Isotope in einem minimal anderen Verhältnis vor als in Sonnennähe. Informationen über die Herkunft seines ursprünglichen Baumaterials bleibt auf diese Weise in der Isotopenzusammensetzung eines Körpers gespeichert.

Suche nach Spuren von Theia in Erde und Mond
In der aktuellen Studie bestimmt das Forscherteam erstmals das Verhältnis verschiedener Eisenisotope in Erd- und Mondgestein mit bisher unerreichter Genauigkeit. Dafür untersuchen sie 15 Proben typischen Erdgesteins und sechs Gesteinsproben, die Astronauten der Apollo-Missionen zurück zur Erde gebracht haben. Das Ergebnis überrascht kaum: Wie schon frühere Messungen der Isotopenverhältnisse von Chrom, Kalzium, Titan und Zirkonium ergeben hatten, sind Erde und Mond in dieser Hinsicht nicht unterscheidbar.

Doch die große Ähnlichkeit erlaubt keinen direkten Rückschluss auf Theia. Dafür sind zu viele Kollisionsszenarien denkbar. Zwar gehen die meisten Modelle davon aus, dass sich der Mond fast ausschließlich aus Material von Theia formte. Es ist aber auch möglich, dass er vornehmlich aus Material des frühen Erdmantels besteht oder dass sich das Gestein von Erde und Theia untrennbar durchmischte.

Reverse Engineering eines Planeten
Um dennoch mehr über Theia zu erfahren, wandten die Forschenden eine Art Reverse Engineering für Planeten an. Ausgehend von den übereinstimmenden Isotopenverhältnissen in heutigem Erd- und Mondgestein spielte das Team durch, welche Zusammensetzungen und Größen von Theia sowie welche Zusammensetzung der frühen Erde zu diesem Endzustand geführt haben könnten. Die Forschenden schauten in ihren Untersuchungen nicht nur auf Eisenisotope, sondern auch auf solche von Chrom, Molybdän und Zirkonium. Die verschiedenen Elemente verschaffen Zugang zu unterschiedlichen Phasen der Planetenentstehung.

Lange vor der verheerenden Begegnung mit Theia hatte sich im Innern der frühen Erde eine Art Sortierprozess abgespielt. Mit Entstehung des Eisenkerns reicherten sich manche Elemente wie etwa Eisen oder Molybdän dort an; im Gesteinsmantel fehlten sie danach weitgehend. Das Eisen, das sich heute im Erdmantel findet, kann also erst nach der Kernbildung „zugereist“ sein, etwa an Bord von Theia. Andere Elemente wie Zirkonium, die nicht in den Kern sanken, dokumentieren hingegen die gesamte Entstehungsgeschichte unseres Planeten.

Meteoriten als Referenz
Von den rechnerisch möglichen Zusammensetzungen von Theia und der frühen Erde, die sich in den Berechnungen ergaben, scheiden einige als unplausibel aus.

Das überzeugendste Szenario ist, dass der Großteil des Baumaterials von Erde und Theia aus dem inneren Sonnensystem stammt. Erde und Theia dürften Nachbarn gewesen sein.
Timo Hopp, MPS-Wissenschaftler und Erstautor der neuen Studie

Während sich die Zusammensetzung der frühen Erde überwiegend als Mischung bekannter Meteoritenklassen darstellen lässt, ist dies bei Theia nicht der Fall. Verschiedene Meteoritenklassen sind in unterschiedlichen Bereichen des äußeren Sonnensystems entstanden. Sie dienen deshalb als Referenzmaterial für das Baumaterial, das bei der Entstehung der frühen Erde und von Theia zur Verfügung stand. Bei Theia dürfte auch eine größere Menge bisher unbekannten Materials im Spiel gewesen sein, dessen Ursprung die Forschenden näher an der Sonne verorten als die Erde. Die Rechnungen sprechen deshalb dafür, dass Theia sonnennäher entstanden ist als unser Planet.

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• Mond

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Quelle: MPS/Aktuelles/Nachrichten/Pressemitteilung/Im Feuerwerk der Sonne, 15. Januar 2026

• Den Auftakt macht MPS-Direktor Prof. Dr. Sami K. Solanki am 12. Februar 2026. Sein Vortrag „Die eruptive Sonne und ihr Einfluss auf die Erde“ bietet einen einführenden Überblick über die Aktivität der Sonne. Es geht um Eruptionen und Strahlungsausbrüche, den schwankenden Aktivitätszyklus unseres Sterns, ihren aktuellen Zustand und die Frage, was uns der Blick auf ferne Sterne über gewaltige Sonnenausbrüche, so genannte Superflares, lehren kann.
• Weniger explosiv als Sonneneruptionen, aber ebenso faszinierend ist der Sonnenwind: der stetige, nie ganz abreißende Teilchenstrom von der Sonne, der zum Teil mit Überschallgeschwindigkeiten bis an den Rand des Sonnensystems jagt. Unter dem Titel „Unsichtbar und doch zu messen: Wie der Wind von der Sonne ihre Umgebung prägt“ berichtet Prof. Dr. Hardi Peter am 12. März 2026 vom Einfluss des ständigen Sonnenteilchenbeschusses auf die Erde.
• Den wohl malerischsten Auswirkungen der Sonnenaktivität, den Polarlichtern, wendet sich Prof. Dr. Yasuhito Narita von der TU-Braunschweig am 2. April 2026 zu. In seinem Vortrag „Polarlichter: Faszination und aktuelle Forschung“ erklärt er, wie die Leuchterscheinungen am Himmel entstehen und welche Erkenntnisse Forschende daraus gewinnen können.
• Um gefährliche Auswirkungen der Sonnenaktivität geht es am 16. April 2026. In seinem Vortrag „Gefahren von Weltraumwetter für unsere moderne Infrastruktur“ berichtet Dr. Volker Bothmer vom Institut für Astrophysik und Geophysik der Universität Göttingen von den Problemen, zu denen heftige Sonnenstürme auf der Erde führen können.
• Auf eine Reise in die weite Vergangenheit unseres Sterns entführt Dr. Natalie Krivova vom MPS mit ihrem Vortrag „Wenn die Sonne tobt: Auf den Spuren der stärksten Sonnenstürme des Holozäns“ am 7. Mai 2026. Um zu verstehen, zu welchem Verhalten die Sonne prinzipiell fähig ist, blickt die Forscherin zurück auf die Epoche der Nacheiszeit. Gibt es Hinweise auf starke Sonnenstürme? Wie häufig kamen sie vor? Und wie lassen sie sich nach Jahrhunderten und Jahrtausenden aufspüren?
• Um Zukunftsmusik geht es im letzten Vortrag der Reihe: Mission Vigil – Weltraumwettervorhersage aus einzigartiger Perspektive. 2031 startet die ESA-Raumsonde Vigil ins All. Aus seitlicher Beobachtungsposition wird der Sonnenspäher eher als erdnahe und erdgebundene Teleskope erkennen können, wenn sich auf der Sonne gefährliches Weltraumwetter zusammenbraut. Eines der wissenschaftlichen Instrumente der Mission entsteht derzeit am MPS. Am 21. Mai 2026 gibt Dr. Johann Hirzberger vom MPS einen Überblick.

Die Vorträge finden jeweils um 19 Uhr im Auditorium des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung statt. Die Teilnahme ist kostenlos. Eine Reservierung ist nicht erforderlich.

Hinweis zum Parken: Das MPS liegt am Nordcampus der Uni Göttingen und bietet so viele Parkmöglichkeiten. Einige öffentliche Parkplätze finden sich rechts neben dem Haupteingang des Instituts. Weitere Parkplätze gibt es am nahegelegen Friedrich-Hund-Platz zwischen den Fakultäten für Chemie und Physik.

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• Vortragsreihe 2026 am MPS, Göttingen

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 10. September 2024.

10. September 2024 – Etwa vier Wochen nach dem erfolgreichen Doppelvorbeiflug der ESA-Raumsonde Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) an Mond und Erde haben die wissenschaftlich-technischen Teams des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen erste Messdaten ihrer beiden Instrumente an Bord ausgewertet. Die Daten verraten nicht nur, dass sowohl das Submillimetre Wave Instrument (SWI) als auch der Jovian Electron and Ion Sensor (JEI) des Particle Environment Package (PEP) wie erwartet funktionieren. Die Ergebnisse laden zudem zu einer Art kosmischem Kontrollexperiment ein: Was könnte eine außerirdische Raumsonde, ausgestattet wie JUICE und ohne Vorwissen über die Erde und ihre Bewohner, über unseren Planeten in Erfahrung bringen? Könnte sie die Struktur der Magnetosphäre, unseres magnetischen Schutzschildes, erkennen? Und würde sie die Erde für bewohnt halten?

Der Blick auf die Erde aus dem Weltall ist etwas Besonderes – ganz gleich, ob er durch die Augen von Astronauten oder durch die Messinstrumente einer unbemannten Raumsonde erfolgt. Entsprechende Aufnahmen, wie etwa die erste Farbaufnahme der gesamten Weltkugel durch die Mannschaft der Apollo 8-Mission im Jahre 1968 oder die Pale Blue Dot-Fotografie der Raumsonde Voyager 1 vor 34 Jahren, haben einen geradezu ikonischen Status erreicht. Gelegenheit zu einem ebensolchen Perspektivwechsel bot vor etwa vier Wochen der Vorbeiflug der ESA-Raumsonde JUICE an Mond und Erde.

Um auf ihrer acht Jahre währenden Reise zum Jupiter Fluggeschwindigkeit und -richtung anzupassen, war JUICE zunächst am 19. August 2024 in einem Abstand von 750 Kilometern am Mond, danach am 20. August 2024 in einem Abstand von 6840 Kilometern an der Erde vorbeigeflogen. Auch die wissenschaftlichen Messinstrumente, die unter Leitung des MPS entwickelt und gebaut wurden, waren beim Doppel-Vorbeiflug eingeschaltet. Während SWI Zusammensetzung, Temperatur und Dynamik von Atmosphären untersucht, bestimmt PEP-JEI Energie und Verteilung geladener Teilchen in der Umgebung von Planeten.

Ein heißer Kandidat für die Existenz von Leben
Beim Erdvorbeiflug „horchte“ SWI nach den Signalen von mehr als hundert Molekülen in der Erdatmosphäre. Das Instrument suchte beispielsweise nach Wasserdampf, nach den als Grundbausteine für Leben geltenden Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel sowie nach Methan und anderen Molekülen, die als Stoffwechselprodukte auf Leben hinweisen. „Bisher haben wir nur einen kleinen Teil der Messdaten ausgewertet“, fasst MPS-Wissenschaftler Dr. Paul Hartogh, der das SWI-Team leitet, den aktuellen Stand zusammen. „Es spricht aber schon jetzt einiges dafür, dass die Erde ein heißer Kandidat für die Existenz von Leben ist“, fügt er schmunzelnd hinzu. Er erwartet, dass das SWI-Team zu einem ähnlichen Ergebnis kommen wird wie der Astronom Carl Sagan, der berühmte Vorreiter der Suche nach außerirdischem Leben. 1993 hatte der Forscher Messergebnisse des Erdvorbeiflugs der Raumsonde Galileo analysiert und darin deutliche Hinweise auf lebensfreundliche Umweltbedingungen und sogar Leben gefunden.

Anders als frühere Weltrauminstrumente setzt SWI auf eine neue Technologie. Das Heterodyn Spektrometer überlagert das empfangene Signal mit einer Referenzwelle und verschiebt es so in den Bereich klassischer Radiowellen. „SWI ist ein Pionier-Instrument, das so noch nie im tiefen Weltraum zum Einsatz gekommen ist“, so Hartogh. Entscheidend für die Leistungsfähigkeit des Instruments ist die sehr hohe spektrale Auflösung. So lassen sich auch Signale sehr seltener Spurengase in der Atmosphäre selbst aus großer Entfernung aufspüren.

Beim Erdvorbeiflug gelangen dem Team auf diese Weise erstmals spektroskopische Messungen der Erdatmosphäre in einem Wellenlängenbereich um 1200 Gigahertz. Darin finden sich beispielsweise typische Signale von Ozon und Sauerstoff. „Unsere Messungen aus der Südpolregion zeigen eine vergleichsweise geringe Konzentration von Ozon“, beschreibt Hartogh. Zudem konnte das Team erstmals Windgeschwindigkeiten in der Erdatmosphäre durchgängig im Höhenbereich von der Stratosphäre bis hin zur Thermosphäre bestimmen. Dies umfasst die gesamte Region von etwa 15 Kilometern Höhe bis hin zu über 100 Kilometern Höhe, der Grenze zum Weltraum.

Flug durch Magnetopause
Auch für das Göttinger Instrument PEP-JEI war der Heimatbesuch eine wichtige Bewährungsprobe. Das Instrument misst die Energie der Ionen und Elektronen, welche die Raumsonde vor Ort umgeben. Im Jupitersystem soll es unter anderem mehr über die Struktur und Dynamik der gewaltigen Jupiter-Magnetosphäre in Erfahrung bringen.

Während der vier Zeitfenster, in denen das Instrument während des Manövers eingeschaltet war, durchflog JUICE offenbar verschiedene Bereiche der Erdmagnetosphäre. Dies lässt sich anhand der Messdaten erkennen. So durchquerte die Raumsonde mindestens viermal die Magnetopause, die Grenzfläche zwischen der Erdmagnetosphäre und dem Sonnenwind, und passierte am 21. August 2024 die Bugstoßwelle. An der Bugstoßwelle wird der Sonnenwind, der die Erde mit Überschallgeschwindigkeit umströmt, auf Unterschallgeschwindigkeit abgebremst. Die Daten zeigen zunächst Teilchen aus dem Einflussbereich der Erdmagnetosphäre, dann abrupt Protonen und Helium-Ionen des Sonnenwindes.

Zudem drang JUICE während des Vorbeiflugs in den innersten Bereich der Magnetosphäre vor. Die so genannte Plasmasphäre schmiegt sich torusförmig um die Erde und reicht bis mindestens 25500 Kilometer ins All. Das vergleichsweise kühle Plasma, das dort vorherrscht, besteht aus Elektronen, Protonen sowie Helium- und Sauerstoff-Ionen. „Die Zusammensetzung der Plasmasphäre ist bisher nur selten gemessen worden“, so MPS-Wissenschaftler und PEP-Teammitglied Dr. Markus Fränz. „Die aktuellen Beobachtungen von PEP-JEI lassen sich am besten mit einem sehr hohen Anteil von Sauerstoff-Ionen erklären“, fügt er hinzu.

„Beim Erdvorbeiflug ist es uns mit nur wenigen Messungen gelungen, Grundzüge der Magnetosphärenstruktur der Erde aufzudecken. Damit wissen wir nun, dass unser Instrument gut vorbereitet ist für Messungen am Jupiter“, so MPS-Wissenschaftler Dr. Norbert Krupp aus dem PEP-Team. Im Jupitersystem wird JUICE deutlich länger verweilen und den Planeten auf vielen verschiedenen Umlaufbahnen umrunden. Die aktuellen Messdaten stimmen die Mitglieder des PEP-JEI-Teams deshalb hoffnungsfroh, dass so ein vollständiges Bild der Plasmaumgebung des Gasriesen entstehen wird.

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• JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) auf Ariane 5 ECA

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 5. September 2024.

5. September 2024 – Der Zwergplanet Ceres könnte seinen Ursprung im Asteroidengürtel haben – und muss nicht zwingend dorthin vom Rand des Sonnensystems „zugewandert“ sein. Darauf deuten helle, ammoniumreiche Ablagerungen im Consus Krater hin, wie ein Forscherteam unter Leitung des Göttinger Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) heute in der Fachzeitschrift Journal of Geophysical Research Planets argumentiert. Die Forschenden haben Messdaten der NASA-Raumsonde Dawn ausgewertet. Dawn hatte schon vor Jahren auf der Ceres-Oberfläche weit verbreitete Ammoniumvorkommen entdeckt. Dies lege nach Meinung einiger Wissenschaftler*innen nahe, dass gefrorenes Ammonium bei der Entstehung des Zwergplaneten eine Rolle gespielt hat. Ammonium ist nur im äußeren Sonnensystem stabil. Die neue Studie findet eine weitere Möglichkeit: Wie auch andere helle Ablagerungen auf Ceres könnte das ammoniumreiche Material im Consus Krater durch Ceres‘ kuriosen Kryovulkanismus aus der Tiefe des Zwergplaneten an die Oberfläche gelangt sein.

Der Zwergplanet Ceres ist ein außergewöhnlicher „Bewohner“ des Asteroidengürtels. Mit einem Durchmesser von etwa 960 Kilometern ist er nicht nur der größte Körper zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter; er zeichnet sich auch – anderes als seine eher schlichten „Mitbewohner“ – durch eine äußerst komplexe und vielseitige Geologie aus. Dies weist auf eine bewegte Vergangenheit hin, in der sich Ceres über viele Milliarden Jahre veränderte und weiterentwickelte. Daten der NASA-Raumsonde Dawn, die Ceres von 2015 bis 2018 aus der Nähe untersucht hat, haben unter anderem Hinweise darauf geliefert, dass Ceres bis in jüngste Vergangenheit Schauplatz eines einzigartigen Kryovulkanismus war – und wahrscheinlich noch immer ist. In mehreren Einschlagskratern finden sich helle, weißliche Salzablagerungen. Forschende halten sie für Überbleibsel einer Sole, die über viele Milliarden Jahre aus einer flüssigen Schicht zwischen Mantel und Kruste an die Oberfläche gedrungen ist. Auch in Aufnahmen und Messdaten vom Consus Krater, die das Forscherteam nun so detailliert wie nie zuvor ausgewertet hat, zeigt sich solch helles Material, allerdings zum Teil in gelblicherer Färbung.

Ein Krater im Krater
Der Conus-Krater liegt auf der Südhalbkugel des Zwergplaneten Ceres. Mit einem Durchmesser von etwa 64 Kilometern zählt er nicht zu den besonders großen Einschlagkratern. In Aufnahmen des wissenschaftlichen Kamerasystems von Dawn, das unter Leitung des MPS entwickelt und gebaut wurde, zeigt sich eine umlaufende Kraterwand, die etwa 4,5 Kilometer vom Kraterboden in die Höhe ragt und zum Teil nach innen abgerutscht ist. Als auffälligste Struktur umschließt sie einen kleineren Krater, der mit einer Fläche von etwa 15 Kilometern mal elf Kilometern die östliche Hälfte des Consus Kraterbodens dominiert. Das gelbliche, helle Material findet sich in vereinzelten Sprenkeln ausschließlich am Rand des kleineren Kraters und in einem Bereich etwas östlich davon.

Wie die aktuellen Auswertungen von Daten des Kamerasystems und des Spektrometers VIR nahelegen, ist das gelbliche helle Material im Consus-Krater reich an Ammonium. Die Verbindung, die sich von Ammoniak durch eine zusätzliches Wasserstoff-Ion unterscheidet, ist in Form ammoniumreicher Gesteine in Spuren auf der Ceres-Oberfläche beinahe allgegenwärtig. In der Vergangenheit glaubten Wissenschaftler*innen, dass dieses Gestein nur durch Kontakt mit Ammonium-Eis in der Kälte am äußeren Rand des Sonnensystems entstanden sein könne. Nur dort ist gefrorenes Ammonium über längere Zeiträume stabil; in größerer Nähe zur Sonne verdunstet es rasch. Ceres müsse deshalb am Rand des Sonnensystems entstanden und erst später in den Asteroidengürtel „umgesiedelt“ sein. Die aktuelle Studie zeigt nun erstmals eine Verbindung auf zwischen Ammonium und der salzhaltigen Sole aus dem Inneren der Ceres. Der Ursprung des Zwergplaneten, so argumentiert das Team, müsse deshalb nicht zwingend im äußeren Sonnensystem liegen. Ceres könnte auch ein echtes Kind des Asteroidengürtels sein.

Ammonium aus der Tiefe
Die Forschenden gehen davon aus, dass die Bausteine von Ammonium bereits im ursprünglichen Baumaterial der Ceres enthalten waren. Da Ammonium sich nicht mit den typischen Mineralien im Ceres‘ Mantel verbindet, reicherte es sich nach und nach in einer mächtigen Soleschicht an, die sich global zwischen Mantel und Kruste des Zwergplaneten erstreckte. Durch kryovulkanische Aktivität stieg die ammoniumreiche Sole im Laufe der Jahrmilliarden immer wieder auf und das darin enthaltene Ammonium wechselte nach und nach den „Wirt“: Es drang in die großräumig vorhandenen Schichtsilikate der Ceres-Kruste ein. Schichtsilikate, die sich durch eine lagenartige Kristallstruktur auszeichnen, sind auch auf der Erde etwa in tonhaltigen Böden weitverbreitet. In Kontakt mit einer ammoniumreichen Sole lagern sich bevorzugt Ammonium-Ionen an. „Das Gestein könnte das Ammonium über viele Milliarden Jahre wie eine Art Schwamm aufgenommen haben“, erklärt MPS-Wissenschaftler Dr. Andreas Nathues, Erstautor der aktuellen Studie und früherer Leiter des Kamerateams von Dawn.

Vieles spricht dafür, dass die Konzentration des Ammoniums in tieferliegenden Schichten der Kruste größer ist als nahe der Oberfläche. Die wenigen Stellen auf der Ceres-Oberfläche, an denen sich außerhalb des Consus Kraters auffällige Flecken des gelblich-hellen Materials finden, liegen ebenfalls innerhalb tiefer Krater. Im Consus Krater dürfte – wie die aktuelle Studie detailliert zeigt – der Einschlag, der vor nur 280 Millionen Jahren den kleinen östlichen Krater schuf, Material aus den tiefliegenden, besonders ammoniumhaltigen Schichten freigelegt haben. Bei den gelblich-hellen Sprenkeln östlich des kleineren Kraters handelt es sich um Material, das der Einschlag aus großer Tiefe herausgeschleudert hat.

„Mit seinen 450 Millionen Jahren ist der Consus Krater nach geologischen Maßstäben nicht besonders alt, allerdings ist er einer der ältesten noch erhaltenen Strukturen auf Ceres. Durch seinen tiefen Aushub verschafft er uns Zugang zu Prozessen, die sich über viele Milliarden Jahre im Innern der Ceres abgespielt haben – und ist so eine Art Fenster in die Vergangenheit des Zwergplaneten“, so MPS-Forscher Dr. Ranjan Sarkar, ein Co-Autor der Studie.

Originalveröffentlichung
Andreas Nathues et al.:
Consus Crater on Ceres: ammonium-enriched brines in exchange with phyllosilicates?,
Journal of Geophysical Research: Planets, 5. September 2024
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023JE008150

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• Zwergplanet Ceres

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 4. September 2024.

4. September 2024 – Mit dem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre über dem Südpazifik endet am Sonntag, 8. September 2024, die Forschungsmission des ersten der vier Cluster-Satelliten der ESA. Überwacht von Kontrollzentren und Teleskopen auf der Erde sowie einem Forschungsflugzeug wird der liebevoll „Salsa“ genannte Satellit verglühen. Die großangelegte Beobachtungskampagne soll helfen zu verstehen, wie ausgediente Satelliten in Zukunft sicher und schnell aus der Erdumlaufbahn entfernt werden können. Gleichzeitig markiert das bevorstehende Feuerwerk das Ende einer einzigartigen Forschungsexpedition: Seit 24 Jahren (anstatt der ursprünglich geplanten zwei Jahre) durchquert Salsa im „Formationstanz“ mit seinen Geschwistern Rumba, Samba und Tango auf langestreckten Ellipsen die Magnetosphäre der Erde – und hat so mehr als zwei Sonnenzyklen lang miterlebt, wie der magnetische Schutzschild unseren Planeten vor direktem Teilchen- und Strahlungsbombardement von der Sonne bewahrt. Das Göttinger Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) hat das Instrument RAPID zu der Mission beigesteuert.

Das Dienstende von Salsa findet unter ähnlichen Bedingungen statt wie der -antritt vor 24 Jahren: in einer Phase besonders hoher Sonnenaktivität. Ebenso wie damals durchläuft unser Stern aktuell das Maximum seines etwa elfjährigen Aktivitätszyklus. In den vergangenen Monaten ist es dadurch zu mehreren heftigen Sonnenstürmen gekommen; eindrucksvolle Polarlichter waren sogar in Deutschland zu sehen. „Die aktuelle Situation ist ganz ähnlich wie zum Beginn der Cluster-Mission“, erinnert sich MPS-Wissenschaftler Dr. Patrick Daly, wissenschaftlicher Leiter des RAPID-Teams. Bereits im November 2001 wurden die Cluster-Satelliten Zeugen eines besonders heftigen Sonnensturms. Wie Messungen ergaben, quetscht bei einem solchen Sturm das Bombardement von der Sonne die Erdmagnetosphäre auf die Hälfte ihrer gewöhnlichen Größe zusammen. „Ein solches Ereignis war noch nie zuvor mit solcher Präzision in situ aufgezeichnet worden“, so Daly.

Ein Schutzschild im All
Die Magnetosphäre, der Einflussbereich des irdischen Magnetfeldes, ist riesig. Während ihre Ausdehnung auf der sonnenzugewandten Seite in der Regel etwa 65.000 Kilometer beträgt, reicht ihr langgezogener, sonnenabgewandter Schweif mehr als zwei Millionen Kilometer ins All. Obwohl Magnetosphäre die Erde von dem meisten Teilchen von der Sonne abschirmt, können einige an den Polen, wo die magnetischen Feldlinien zur Erdoberfläche hin gekrümmt sind, bis in die inneren Atmosphärenschichten vordringen. Durch diese Teilchen und die vom Sonnenwind mitgeführten Magnetfelder entsteht in der Magnetosphäre ein komplexes Zusammenspiel aus Teilchen, Magnetfeldern und Wellen. „Vor Beginn der Cluster-Mission war unser Verständnis der Erdmagnetosphäre eher lückenhaft“, so Daly. „Die Cluster-Mission hat wie keine andere dazu beigetragen, die Struktur und Dynamik der Erdmagnetosphäre zu verstehen“, fügt er hinzu.

Durch ihre jahrzehntelange Präsenz in der Magnetosphäre konnte die Cluster-Mission vor Ort miterleben, wie sich unser magnetischer Schutzschild unter dem wechselhaften Einfluss der Sonne verändert. Ein weiterer Vorteil: die Choreographie der vier „Tänzer“. Seit 2001 fliegen die Satelliten in einer tetraeder-förmigen Anordnung. Die Messdaten, die auf diese Weise entstehen, erlauben Forschenden nicht nur einen dreidimensionalen Blick auf die Magnetosphäre, sondern auch, räumliche Veränderungen von zeitlichen zu unterscheiden.

Zu diesem Zweck tragen die Cluster-Satelliten elf jeweils baugleiche wissenschaftliche Instrumente an Bord. Die vier als RAPID (Research with Adaptive Particle Imaging Detectors) bezeichneten Teilchenspektrometer vom MPS bestimmen die Verteilung und Energie von Ionen und Elektronen in der Magnetosphäre. In den vergangenen Jahrzehnten ist so ein detailliertes Gesamtbild der Teilchenumgebung unserer Erde entstanden. Zudem ist es den RAPID-Instrumenten erstmals gelungen, die Verteilung von schweren Ionen wie Eisen- und Silizium-Ionen in der Magnetosphäre zu messen. Diese treten besonders in der inneren Magnetosphäre auf und ihre Häufigkeit hängt stark von der Aktivität der Sonne ab. Und vor Kurzem haben die RAPID-Daten sogar einen Hinweis darauf gegeben, wie es zu eindrucksvollen spiralförmigen Polarlichtern kommt. Eine Gruppe von vier Forscherinnen um Dr. Elena Kronberg von der Ludwig-Maximilians-Universität München, ehemaliges Mitglied des RAPID-Teams am MPS, hatte in den Messdaten wirbelartige Magnetfeldstrukturen ausgemacht.

Feuriges Ende eines Weltraum-Methusalems
„Dass die Cluster-Satelliten über so viele Jahre Messdaten aufzeichnen würden, hätten wir nie erwartet“, so Daly. Da fast alle Instrumente nach den ursprünglichen geplanten zwei Betriebsjahren noch funktionstüchtig waren, konnte die Mission verlängert werden – ein ums andere Mal. Mittlerweile zählt Cluster nach den Voyager- und Pioneer-Sonden, dem Sonnenobservatorium SOHO und dem Advanced Composition Explorer ACE zu den Weltraum-Methusalems. Doch spurlos sind die Jahre nicht an den vier kosmischen Tänzern vorübergegangen. Wie auch die anderen Messinstrumente plagen die vier RAPID-Spektrometer mittlerweile Altersgebrechen: Einige Teilinstrumente sind bereits ausgefallen; die Messempfindlichkeit hat nachgelassen. Zu guter Letzt gehen den Satelliten nun die Treibstoffreserven aus.

Die Vorbereitungen für das deshalb notwendige Missionsende laufen bereits seit Januar. Zu diesem Zeitpunkt wurde Salsa auf einen Kurs gelenkt, der den Satelliten seitdem mit jedem Erdumlauf etwas tiefer sinken lässt. Am 8. September wird die Flugbahn so tief führen, dass Salsa in der Erdatmosphäre auseinanderbricht. Die ESA rechnet damit, dass die Bruchstücke vollständig in der Atmosphäre verglühen. Die Cluster-Satelliten Rumba, Samba und Tango werden zunächst nur ausgeschaltet; erst im November 2025 und August 2026 stehen ihre Wiedereintritte an.

Katastrophaler Start
In gewisser Weise erinnert das bevorstehende, feuerreiche Ende der Mission an ihren Beginn. Vier Jahre vor dem erfolgreichen Start im Jahr 2000 war es zu einem Unglück gekommen: Der erste Startversuch musste nach weniger als einminütigem Flug wegen eines Steuerungsfehlers der Trägerrakete beendet werden. Die Bruchstücke der explodierten Rakete – und der vier Cluster-Satelliten an Bord – gingen kontrolliert über unbewohntem Gebiet in der Nähe des ESA-Raumfahrtzentrums im südamerikanischen Französisch-Guayana nieder. Eines der zerstörten RAPID-Instrumente, das aus den dortigen Sümpfen geborgen werden konnte, findet sich noch heute am MPS.

Patrick Daly erlebte den missglückten Start damals im Kontrollzentrum der ESA in Darmstadt. „Auf dem Bildschirm haben wir das spektakuläre Feuerwerk gar nicht erkannt und wussten zunächst nicht was los war, bis das Schweigen mit den Wörtern „That was the Cluster Mission“ gebrochen wurde“, erinnert er sich noch heute an den beklemmenden Moment. Umso größer war die Freude vier Jahre später. Den Start der ersten beiden Satelliten im Juli 2000 verfolgte der MPS-Wissenschaftler wieder in Darmstadt, den der zweiten im August desselben Jahres im kasachischen Baikonur. Ein unvergessliches Erlebnis. „Nach jedem erfolgreichen Start sind die Beteiligten überglücklich. Schließlich haben sie jahrelang auf diesen Moment hingearbeitet. Aber bei Cluster war es wirklich etwas ganz besonders“, so Daly. Der bevorstehende letzte Tanz von Salsa führt die Mitglieder der wissenschaftlichen Teams nun in den nächsten Tagen ans Weltraumastronomiezentrum (ESAC) in der Nähe von Madrid – für ein letztes Treffen und einen weiteren unvergesslichen Moment.

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• Cluster

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 15. August 2024.

15. August 2024 – Nach knapp eineinhalbjähriger Reise durchs Weltall steht für die ESA-Raumsonde JUICE Anfang nächster Woche ein Heimatbesuch an: Um auf ihrem Weg zum Jupiter Geschwindigkeit und Kurs anzupassen, fliegt die Raumsonde am Montag und Dienstag, 19. und 20. August 2024, zunächst dicht am Mond und dann an der Erde vorbei. Es ist das erste Mal, dass eine Raumsonde ein Manöver dieser Art wagt. Am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen wird das Ereignis mit Spannung erwartet. Seit Monaten bereiten sich die wissenschaftlich-technischen Teams, die zu zwei der zehn Messinstrumente an Bord beigetragen haben, darauf vor. Der einzigartige Doppelvorbeiflug bietet die erste Gelegenheit, Messungen unter Bedingungen durchzuführen, die denen im Jupitersystem ähneln.

Seit dem Start von JUICE im April vergangenen Jahres waren die Messinstrumente der Raumsonde schon mehrfach aktiv. Die so genannten Checkout-Windows, kurze, mehrtägige Phasen, in denen die Instrumente eingeschaltet sind, erlauben es, erste Probemessungen durchzuführen. „Solche Tests und Messungen sind ausgesprochen wichtig“, erklärt MPS-Wissenschaftler Dr. Markus Fränz, der zum Team des JUICE-Instruments PEP (Particle Environment Package) gehört. „Sie geben uns einen ersten Eindruck davon, ob das Instrument wie erwartet funktioniert und wie es sich unter realen Weltraumbedingungen bewährt“, ergänzt er. Beim bevorstehenden Manöver kommt nun eine neue Zutat hinzu – und zwar im Doppelpack: ein Messobjekt in direkter Nähe. Erst dies schafft eine Situation, die mit der späteren im Jupitersystem vergleichbar ist.

Komplexe Choreographie im All
Damit JUICE bei Ankunft im Jupitersystem vom Gasriesen in die gewünschte Umlaufbahn eingefangen wird, muss die Geschwindigkeit der Raumsonde genau stimmen. JUICE fliegt deshalb in den ersten Jahren der insgesamt achtjährigen Reise zunächst auf einer komplizierten, spiralartigen Bahn durchs innere Sonnensystem und nutzt Vorbeiflüge an Mond, Erde und Venus, um – einer genauen Choreographie folgend – den Kurs zu ändern, abzubremsen und zu beschleunigen. Es ist eine Art Gesamtkunstwerk, an deren Ende die optimale Flugbahn und -geschwindigkeit steht. Während die bevorstehenden Begegnungen mit Mond und Erde die Raumsonde auf einen langsameren Kurs zwingen werden, wird JUICE bei den Vorbeiflügen in den kommenden Jahren Fahrt aufnehmen.

Noch bemerkenswerter: Das geplante Manöver führt zum ersten Mal eine Raumsonde in geringem Abstand an gleich zwei Himmelskörpern vorbei. Am Montag, 19. August 2024, steht zunächst die Stippvisite am Mond an: Um 23.16 Uhr (MESZ) surrt JUICE in einem Abstand von nur 700 Kilometern am Erdtrabanten vorbei. Etwa 24 Stunden später am Dienstag, 20. August 2024, um 23.57 Uhr (MESZ) trennen nur 6807 Kilometer die Raumsonde von der Erde. Selbst die ESA bezeichnet das Manöver als Herausforderung.

Spurengase in der Atmosphäre
Am MPS bereiten sich die wissenschaftlich-technischen Teams in Zusammenarbeit mit ihren internationalen Kolleg*innen seit Monaten auf den Doppelvorbeiflug vor. „Das Checkout-Window im Juli haben wir genutzt, um die Kommandosequenzen für unser Instrument für den Vorbeiflug zu proben“, berichtet Dr. Ali Ravanbakhsh, Projektmager des SWI-Teams am MPS. SWI, das Submillimetre Wave Instrument, das unter Leitung des MPS entwickelt und gebaut wurde, wird ab dem 19. August 2024 fünfmal für insgesamt 56 Stunden aktiv sein. Im Jupitersystem wird das Spektrometer unter anderem die molekulare Zusammensetzung der Atmosphären des Jupiters und seiner Monde mit höchster Präzision bestimmen. Dies kann beispielsweise helfen die Frage zu klären, ob im Jupitersystem alle Stoffe vorliegen, die für die Entstehung von Leben notwendig sind.

Messungen dieser Art werden beim Erdvorbeiflug geübt. SWI soll dutzende verschiedener Molekülsorten aufspüren, darunter auch vier Spielarten von Wasserdampf, die sich in der Isotopie des Sauerstoffs und Wasserstoffs unterscheiden. Als Isotope bezeichnen Wissenschaftler*innen Varianten derselben Atomsorte, die sich lediglich durch die Anzahl der Neutronen im Kern unterscheiden. „Die Isotopenverhältnisse in der Atmosphäre des Jupiters zu bestimmen, gehört zu den wichtigsten Zielen von SWI“, erklärt der wissenschaftliche Leiter des SWI-Teams, Dr. Paul Hartogh. Dies kann Hinweise auf Entstehung und Entwicklung des Gasriesen geben.

Zudem wird SWI in den nächsten Tagen die globalen Temperaturen und Winde in der Erdatmosphäre messen. Solche Beobachtungen sind auch für das Jupitersystem geplant.

Teamwork mit ARTEMIS-Sonde
Auch das Instrument PEP, zu dem das MPS den Jovian Electron and Ion Sensor (JEI) beigetragen hat, wird den Vorbeiflug für Probemessungen nutzen. PEP soll im Jupitersystem die Energie und räumliche Verteilung geladener und ungeladener Teilchen in der Umgebung des Jupiters und seiner Eismonde bestimmen. Während der bevorstehende Vorbeiflug durch die Magnetosphäre und Strahlungsgürtel der Erde vor allem Kalibrationsmessungen in vertrauter Umgebung ermöglicht, steht am Mond auch Teamwork an. JUICE wird in nur etwa 3200 Kilometern Abstand zu einer der beiden amerikanischen ARTEMIS-Sonden vorbeifliegen, die den Mond seit 2011 umkreisen. „Für Fragestellungen, welche die Plasmaumgebung des Mondes betreffen, ist das ein sehr kleiner Abstand“, erklärt PEP-Teammitglied Dr. Elias Roussos vom MPS. „Das ermöglicht uns, gemeinsame Kalibrationsmessungen mit ARTEMIS-Instrumenten durchzuführen“, fügt er hinzu. Die ARTEMIS-Sonde hat Messinstrumente an Bord, die denen von PEP ähneln. Da sie seit mehr als einem Jahrzehnt im Weltall betrieben werden und ihre Messeigenschaften deshalb gut bekannt sind, sind solche gemeinsamen Messungen besonders wertvoll.

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• JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) auf Ariane 5 ECA

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 2. August 2024.

2. August 2024 – Ringförmige Störungen in Scheiben aus Gas und Staub, die um noch junge Sterne kreisen, können den Anstoß geben, dass sich gleich mehrere Gasriesen bilden. Zu diesem Ergebnis kommen Forschende des Exzellenzclusters ORIGINS, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen. Das Team hat ein Modell entwickelt, dass erstmals alle notwendigen physikalischen Prozesse, die bei der Planetenentstehung eine Rolle spielen, vereint. Demnach können Riesenplaneten effizienter und schneller entstehen als bisher angenommen. Diese Ergebnisse stimmen mit jüngsten Beobachtungen überein.

Unser Sonnensystem ist unsere unmittelbare kosmische Nachbarschaft. Wir kennen es gut: die Sonne im Zentrum, dann die Gesteinsplaneten Merkur, Venus, Erde und Mars, dann der Asteroidengürtel gefolgt von den Gasriesen Jupiter und Saturn, den Eisriesen Uranus und Neptun, und schließlich der Kuipergürtel mit seinen Kometen. Doch wie gut kennen wir unsere Heimat wirklich? Bisherige Theorien gehen davon aus, dass Riesenplaneten durch Kollisionen und Ansammlungen asteroidenartiger Himmelskörper, so genannter Planetesimale, und anschließender Aufnahme von Gas im Laufe von Jahrmillionen entstehen. Diese Modelle erklären jedoch weder die Existenz von Gasriesen, die weit von ihren Sternen entfernt sind, noch die Entstehung von Uranus und Neptun.

Vom Staubkorn zum Riesenplaneten
In ihrem neuen Modell berücksichtigen die Astrophysiker*innen des ORIGINS Clusters, der LMU und des MPS erstmals alle Prozesse, die für die Planetenentstehung maßgeblich sind. „Dies ist das erste Mal, dass eine Simulation das Wachstum von Feinstaub bis hin zu Riesenplaneten verfolgt“, sagt Tommy Chi Ho Lau, Erstautor der Studie und Doktorand an der LMU.

Mit ihrem Modell zeigen die Forschenden, wie sich millimetergroße Staubteilchen aerodynamisch in der turbulenten Gasscheibe anhäufen, und wie diese anfängliche Störung in der Scheibe Staub einfängt und daran hindert, in Richtung des Sterns zu verschwinden. Diese Anhäufung macht das Wachstum von Planeten sehr effizient, da plötzlich viel „Baumaterial“ auf kleinem Raum zur Verfügung steht und die richtigen Bedingungen für Planetenentstehungen gegeben sind. „Wenn ein Planet groß genug ist, um selbst die Gasscheibe zu beeinflussen, führt dies zu einer erneuten Staubanreicherung weiter außen in der Scheibe. Dabei treibt der Planet den Staub, ähnlich wie ein Hirtenhund seine Herde, in den Bereich außerhalb seiner eigenen Umlaufbahn“, erklärt ORIGINS-Wissenschaftler Professor Til Birnstiel von der LMU. Der Prozess beginnt von neuem, von innen nach außen und ein weiterer Riesenplanet kann entstehen.

Vielfalt von Gasriesen in unserem und anderen Sternensystemen
In unserem Sonnensystem sind die Gasriesen in einer Entfernung von etwa 5 Astronomischen Einheiten (AE) (im Fall des Jupiters) bis zu einer Entfernung von etwa 30 AE (Neptun) von der Sonne angeordnet. Zum Vergleich: Unsere Erde ist 1 AE von der Sonne entfernt. „In anderen Planetensystemen könnte eine Störung in der protoplanetaren Scheibe den Prozess der Planetenentstehung in deutlich größerer Entfernung anstoßen“, so Dr. Joanna Drążkowska vom MPS.

Solche Systeme wurden in den vergangenen Jahren häufig mit dem Radioobservatorium ALMA beobachtet, das Gasriesen in jungen Scheiben in Entfernungen von mehr als 200 AE gefunden hat. Zudem erklärt das Modell, warum unser Sonnensystem mit Neptun scheinbar aufgehört hat, weitere Planeten zu bilden: Das Baumaterial war nach der Bildung des Neptuns aufgebraucht.

Die Ergebnisse der Studie stimmen mit aktuellen Beobachtungen von jungen Sternsystemen überein, die ausgeprägte Substrukturen in ihren Scheiben aufweisen. Diese Substrukturen spielen eine entscheidende Rolle bei der Planetenbildung. Die Studie deutet darauf hin, dass die Bildung von Riesenplaneten und Gasriesen effizienter und schneller abläuft als bisher angenommen. Diese neuen Erkenntnisse könnten unser Verständnis der Entstehung und Entwicklung der Riesenplaneten unseres Sonnensystems verfeinern und die Vielfalt der beobachteten Planetensysteme erklären.

Originalveröffentlichung
Tommy Chi Ho Lau, Til Birnstiel, Joanna Dra̧żkowska, Sebastian Stammler:
Sequential giant planet formation initiated by disc substructure,
Astronomy & Astrophysics, Volume 668, A22 (2024)
https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2024/08/aa50464-24/aa50464-24.html
pdf: https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2024/08/aa50464-24.pdf

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• Planetenentstehung

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 2. August 2024.

2. August 2024 – Die ausgesprochen dünne Atmosphäre, die den Mond umgibt, entsteht in erster Linie durch das ständige Bombardement der Mondoberfläche durch staubgroße Mini-Meteoriten. Andere Prozesse, etwa die Wechselwirkung mit Teilchen und Strahlung von der Sonne, spielen eine untergeordnete Rolle, wie Forschende von der University of Chicago, des Massachusetts Institute of Technology, des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) und des NASA Goddard Space Flight Centers heute in der Fachzeitschrift Science Advances berichten. Das Team hat Bodenproben untersucht, die Astronauten der Apollo-Missionen vor Jahrzehnten zurück zur Erde gebracht hatten. Dieses Material stand über Milliarden von Jahren in ständigem Austausch mit der Mondatmosphäre – und war so Zeuge der Vorgänge, welche die Atmosphäre erzeugen und aufrechterhalten.

Eigentlich hat der Mond gar keine Atmosphäre – zumindest nicht nach irdischen Maßstäben. Die nicht einmal zehn Tonnen Material, die seine Gashülle bilden, erzeugen einen Atmosphärendruck von etwa einem Billiardenstel des Luftdrucks, der auf der Erde herrscht. Das bezeichnet man typischerweise als Ultrahochvakuum. Im Fall des Mondes spricht man von Exosphäre. Sie besteht in erster Linie aus Argon, Helium und Neon. Dazu gesellen sich neben einigen anderen Spurenelementen kleinste Anteile der Alkalimetalle Natrium, Kalium und Rubidium. Unklar war bisher, welche Prozesse die Exosphäre mit Material versorgen. Da ständig einige Teilchen ins Weltall entweichen, müssen sie ebenso kontinuierlich von der Oberfläche „nachgefüllt“ werden.

In der aktuellen Studie kommen die Wissenschaftler*innen zu dem Ergebnis, dass hauptsächlich die Einschläge so genannter Mikrometeoriten, kleinster Staubteilchen aus dem Weltall, den nötigen „Nachschub“ liefern. Sie treffen permanent auf die Mondoberfläche, erwärmen sie lokal und setzen so Atome frei. Einen deutlich geringeren Einfluss hat die Sonne: Auch Teilchen des Sonnenwindes und Sonnenlicht können einzelne Atome aus dem Mondboden lösen.

In der Vergangenheit haben sich Wissenschaftler*innen bemüht, diese Prozesse möglichst direkt zu verfolgen, etwa mit Hilfe der NASA-Raumsonde Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE), die den Mond von Oktober 2013 bis April 2014 umkreiste und ihr Augenmerk besonders auf die Natrium- und Kaliumatome der Exosphäre richtete. Die neue Studie verfolgt nun einen gänzlich anderen Ansatz: Um mehr über die Exosphäre zu erfahren, schauen die Forscher*innen nicht auf die Exosphäre selbst, sondern untersuchen den Mondboden.

„Spuren“ im Mondstaub
„Das Regolith, das den Mond überzieht, steht seit Milliarden von Jahren in direktem Austausch mit seiner Exosphäre“, erklärt Dr. Timo Hopp vom MPS die Grundidee der Studie. „Das hat Spuren hinterlassen, die sich im Labor messen lassen“, fügt er hinzu. Entscheidend ist dabei, dass einige der Prozesse, die sich im Wechselspiel zwischen Oberfläche und Exosphäre abspielen, leichtere Isotope bevorzugen. Isotope sind Spielarten eines Elements, die sich allein durch die Anzahl ihrer Neutronen im Kern und somit durch ihr Gewicht unterscheiden. So setzen etwa die Einschläge von Mini-Meteoriten eher leichte als schwere Isotope frei. Zwar fallen einige der herausgeschlagenen Teilchen mit der Zeit zurück auf die Oberfläche und werden so wieder Teil der Mondoberfläche. Andere entweichen jedoch ins All – und verändern so die Isotopenverhältnisse im Boden dauerhaft. Über Milliarden von Jahren ist die Mondoberfläche somit eine Art Gedächtnis dieser Vorgänge.

In ihrer aktuellen Studie hat das Team die Verhältnisse, in der Kalium- und Rubidiumisotope in zehn Proben vom Mond vorliegen, mit bisher unerreichter Genauigkeit bestimmt. Die Proben hatten NASA-Astronauten im Rahmen der Apollo-Missionen bereits vor Jahrzehnten von fünf verschiedenen Landestellen auf dem Mond zurück zur Erde gebracht. Während ein Teil des mitgebrachten Mondmaterials damals sofort untersucht wurde, hob die NASA einen beträchtlichen Teil für Untersuchungen auf, die erst in Zukunft möglich sein würden.

Atmosphären-Entstehung am Computer
Zudem modellierten die Forschenden am Computer, wie sich die Wechselswirkungsprozesse zwischen Oberfläche und Exosphäre auf die Isotopenzusammensetzung des Mondbodens auswirken. „Am Computer können wir die Beiträge einzelner Prozesse problemlos variieren. Wir können berechnen, in welchem Verhältnis Kalium- und Rubidiumisotope vorliegen müssten, wenn beispielsweise die Wechselwirkung mit Sonnenwindteilchen überwiegt oder wenn die Mikrometeoriten den größten Einfluss haben“, erklärt Timo Hopp. Der Vergleich mit den tatsächlich gemessen Werten erlaubt dann Einblicke in die Vorgänge, die Mondoberfläche und Exosphäre geformt haben.

„Unsere Studie gibt als klare Antwort, dass Verdampfung durch Meteoriteneinschläge der dominierende Prozess ist, der die Mondatmosphäre erzeugt“, so die Erstautorin der Studie, Prof. Dr. Nicole Nie, Assistenzprofessorin am Massachusetts Institute of Technology. Dieser Prozess hat mehr als 65 Prozent des Kaliums in der Mond-Exosphäre erzeugt. Der Rest geht auf Wechselwirkungen der Mondoberfläche mit Teilchen und Strahlung von der Sonne zurück. „Der Mond ist fast 4,5 Milliarden Jahre alt und während dieser Zeit wurde die Oberfläche ständig von Meteoriten bombardiert. Wir zeigen, dass eine dünne Atmosphäre schließlich einen stabilen Zustand erreicht, weil sie durch kleine Einschläge überall auf dem Mond ständig aufgefüllt wird“, so Prof. Dr. Nicole Nie weiter.

Die neuen Ergebnisse helfen zudem zu verstehen, wie dünne Exosphären entstehen und über Milliarden von Jahren aufrechterhalten werden. Neben dem Mond umgibt beispielsweise auch den Merkur eine solch dünne Gashülle.

Originalveröffentlichung
Nicole X. Nie, Nicolas Dauphas, Zhe J. Zhang, Timo Hopp, Menelaos Sarantos:
Lunar Soil Record of Atmosphere Loss over Eons,
Science Advances, 2. August 2024
dx.doi.org/10.1126/sciadv.adm7074
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adm7074

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• Mond

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 10. Juni 2024.

10. Juni 2024 – Die Orkane, die in streifenartigen Sturmbändern über den Jupiter rasen, setzen sich weit ins Innere seiner Atmosphäre fort. Erst in einer Tiefe von etwa 2000 Kilometern dürften sie abrupt abreißen, wie Forschende des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen heute bestätigen. In der Fachzeitschrift Proceedings of the National Acadamy of Sciences (PNAS) stellen sie die Ergebnisse von Computersimulationen vor, welche die extremen Eigenschaften der Jupiter-Atmosphäre erstmals realistisch berücksichtigen. Demnach ändert sich die Struktur der Atmosphäre in etwa 2000 Kilometern Tiefe grundlegend: Dort muss sich eine stabile Gasschicht erstrecken, die wie eine Art Barriere das Aufsteigen und Absinken von Material unterdrückt. Grund dafür könnte zum Beispiel sein, dass Wasserstoff und Helium, die Hauptzutaten des Jupiters, dort nicht durchmischt, sondern nach Gewicht geschichtet vorliegen.

Das äußere Erscheinungsbild des Jupiters ist geprägt von seinen markanten Jetstreams: farblich klar abgesetzten Sturmbändern, die in latitudinaler Richtung verlaufen und dem gewaltigen Gasriesen eine Art Streifenmuster verleihen. Die Windgeschwindigkeiten, mit denen die Wolken dort um den Planeten jagen, nehmen es spielend mit denen der heftigsten irdischen Orkane auf und übersteigen sie zum Teil sogar. Nur an den Polen weht mit Geschwindigkeiten von etwa 100 Kilometern pro Stunde ein deutlich ruhigeres Lüftchen. Ob die Orkane nur die oberste, etwa 50 Kilometer dicke Wolkenschicht bestimmen oder deutlich tiefer in die darunter liegende Atmosphäre reichen, ist unklar. Die aktuellen Ergebnisse der Göttinger Forscher*innen stützen nun Theorien, wonach die Winde noch tief im Innern toben, dann aber ab einer bestimmten Tiefe recht abrupt abreißen.

Junos Blick unter die Wolkenschicht
Wie es unter der Wolkenschicht des Jupiters zugeht, sollte eigentlich die amerikanische Raumsonde Juno enthüllen. Vor acht Jahren erreichte sie das Jupitersystem. Aus einer Umlaufbahn um den Gasriesen registriert die Sonde minimale Veränderungen im Schwerfeld des Planeten. Diese erlauben auch Rückschlüsse auf die strömenden Gasmassen im Innern. Doch die Interpretation der Messdaten ist knifflig. Während eine internationale Forschergruppe unter Leitung des israelischen Weizmann-Instituts für Wissenschaften 2018 vermeldete, die Winde erstreckten sich einige tausend Kilometer in die Tiefe, blieben andere Wissenschaftler*innen skeptisch. Sie argumentieren, dass die Messdaten auch mit deutlich flacheren Orkanen in Einklang zu bringen seien.

In seinen Simulationen modelliert das Göttinger Team nun das komplexe Zusammenspiel von Auftrieb sowie magnetischen und Corioliskräften in einer Schicht, die 5600 Kilometer in die Atmosphäre des Jupiters reicht, am Computer. Der Radius des Jupiters miss mehr als 70.000 Kilometer. „Der Jupiter ist ein ausgesprochen extremer Ort; selbst die Vorgänge in dieser äußeren Schicht zu simulieren, ist eine riesige Herausforderung und stellt gewaltige Anforderungen an die Rechenleistung“, so Prof. Dr. Ulrich Christensen, Emeritus-Direktor am MPS und Erstautor der neuen Studie. Zudem stelle das grundsätzliche Verständnis, wie die verschiedenen Kräfte zusammenwirken um den plötzlichen Abfall der Windgeschwindigkeiten in der Tiefe zu bewirken, eine große theoretische Herausforderung dar, erklärt der Forscher.

Wichtige physikalische Eigenschaften wie etwa elektrische Leitfähigkeit und Dichte, die sich auf die Ergebnisse der Simulationen maßgeblich auswirken, verändern sich innerhalb der Jupiter-Atmosphäre drastisch. Unter der obersten Wolkenschicht liegen Wasserstoff und Helium, die beide Hauptbestandteile des Jupiters, in gasförmigem Zustand vor. Mit zunehmender Tiefe nimmt der Druck jedoch so stark zu, dass beide Gase zunächst in den flüssigen, tiefer unten sogar in den metallischen Zustand übergehen. In einer Tiefe von 5600 Kilometern, bis zu der die MPS-Forschenden die Vorgänge simuliert haben, erreicht die elektrische Leitfähigkeit zwar nicht die Werte typischer Metalle, hat aber im Vergleich zur Wolkenschicht um mehr als das Millionenfache zugenommen. Das neu entwickelte Modell ist erstmals in der Lage dies zu berücksichtigen.

Stabile Schicht gibt Rätsel auf
Die neuen Simulationen erlauben so den bisher realistischsten „rechnerischen“ Blick in die tiefe Jupiter-Atmosphäre. Wie sich zeigt, geben die Rechnungen nur dann das Magnetfeld des Jupiters richtig wieder, wenn tief in der Atmosphäre eine stabile Schicht angenommen wird. „Die stabile Schicht dürfte in etwa 2000 Kilometern Tiefe liegen“, erklärt Dr. Paula Wulff, Ko-Autorin der neuen Veröffentlichung, die nach ihrer Promotion am MPS nun an der University of California, Los Angeles forscht. „Die Orkanwindes des Jupiters reichen bis zur oberen Grenze dieser Schicht hinunter“, so Christensen. Erst an ihrem oberen Ende brechen die tiefen Orkanwinde abrupt ab. Der Effekt dürfte in der Nähe der Pole deutlich ausgeprägter sein. Dies könnte helfen zu erklären, warum dort die Winde in der Wolkenschicht langsamer wehen.

Genaue Eigenschaften der 2000 Kilometer tiefen Schicht sind nicht bekannt. Forschende mutmaßen, dass dort Wasserstoff und Helium nach Gewicht geschichtet – also unten Helium, oben Wasserstoff – vorliegen. Eine solche Schicht würde Bewegungen wie das Aufsteigen von Material aus größerer Tiefe ebenso wie das Absinken weiter außen liegenden Materials hemmen. Einen direkten Beweis für die Grenzschicht gibt es bisher nicht. Die MPS-Forscher*innen hoffen, dass es in Zukunft möglich sein wird, mit anderen Methoden Informationen über das Innere der Atmosphäre zu sammeln. Eine Möglichkeit dazu bieten die Eigenschwingungen des Jupiters, welche die Raumsonde Juno vor zwei Jahren aufzeichnen konnte. Störungen dieser Schwingungen können verraten, was genau sich im Innern des Gasriesen abspielt – und Junos Blick ins Innere des Planeten durch eine neue Methode verfeinern.

Originalveröffentlichung
Ulrich R. Christensen, Paula N. Wulff:
Quenching of zonal winds in Jupiter’s interior,
Proceedings of the National Academy of Sciences, 10. Juli 2024
dx.doi.org/10.1073/pnas.2402859121
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2402859121

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• Planet Jupiter

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 14. Mai 2024.

14. Mai 2024 – Es ist dunkel geworden, auf einem Campingplatz in der Fränkischen Schweiz herrscht unter sternklarem Himmel reger Abspühlbetrieb, entfernt gerät ein Gaskocher ins Straucheln. Auf den Wiesen, umgeben von sanften Hügeln und schroffen Felsen, tummeln sich hunderte beleuchtete Zelte. Dieses Farbenmeer ist man im Trubachtal bereits gewohnt, denn hier liegt das Basecamp der fränkischen Sportkletterei. Die Atmosphäre nimmt auf einem Mal eine Wendung, inmitten eines aufgeregten Stimmgewirrs stehen Menschen instinktiv auf und scannen die Umgebung, andere deuten entschlossen in den Himmel. Über den bewaldeten Hügeln im Norden ist ein rötliches Wabern zu erkennen, als glühe der Himmel, nicht wenige vermuten einen Waldbrand. Von einer kleinen Gruppe am Rande ertönt ein tiefes Raunen, sie haben eine Spiegelreflexkamera auf den Himmel gerichtet und ein pink-rotes Farbenmeer mit vielen Nuancen und Farbverläufen eingefangen, das sich in senkrechten Streifen über den gesamten nördlichen Horizont zieht.

Ein geomagnetischer Sturm höchster Stufe
Das Maximum eines geomagnetischen Sturms der höchsten Stufe G5 ereignete sich am Samstag, den 11. Mai 2024. Das Space Weather Prediction Center der National Oceanic and Atmospheric Administration veröffentlichte um 13:28 Uhr Mitteleuropäischer Zeit eine Eilmeldung zu diesem außergewöhnlichen Ereignis. Hervorgerufen durch eine Serie von Massenausbrüchen auf der Sonne haben sich Pakete geladener Teilchen schon wenige Tage zuvor auf den Weg zur Erde gemacht und trafen am 11. Mai mit voller Wucht deren Magnetosphäre. Die Folge waren Polarlichter, die sogar in Süddeutschland mit bloßem Auge zu sehen waren. Energieversorger hatten alle Hände voll zu tun, um das Stromnetz stabil zu halten, und auch die Starlink-Flotte war dem Ereignis fast schutzlos ausgeliefert.

„Es braucht einen wirklich starken Sonnensturm, damit man auch in Süddeutschland Polarlichter sieht.“
Ist die Sonne besonders aktiv, bläst sie geladene Teilchen in heftigen Schüben ins All, teils auch in Richtung der Erde. Das Erdmagnetfeld wirkt wie ein Schutzschild gegen dieses Bombardement, denn Magnetfelder beeinflussen nach den Gesetzen der Elektrodynamik die Bewegung solcher Teilchen. Genauer: Das Erdmagnetfeld fängt die Teilchen ein und wird durch den Druck des Ladungsstroms auch mal ordentlich gequetscht. An den Polen führen die Feldlinien des bipolaren Magnetfeldes das Teilchenplasma in tiefe Atmosphärenschichten. Trifft es dort auf Sauerstoffmoleküle, regt es diese ab einer Entfernung von etwa 100 Kilometern über dem Erdboden zum Leuchten an, meist in der vom menschlichen Auge gut wahrnehmbaren grünlichen Farbe. „In niedrigeren geographischen Breiten schützt das Erdmagnetfeld stärker“, sagt Sami Solanki. Er ist Direktor am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung und leitet die Abteilung Physik der Sonne und der Heliosphäre. „Es braucht schon einen wirklich starken Sonnensturm, damit man auch in Süddeutschland Polarlichter sieht.“ Südlich des Nordpols gelangen die geladenen Teilchen nur bis in die oberen Schichten der Atmosphäre, mehr als 300 Kilometer über dem Grund. Dort ist die Sauerstoffdichte geringer, weshalb der angeregte Sauerstoff nicht grünlich, sondern rötlich leuchtet. Trifft ein extremer geomagnetischer Sturm wie am 11. Mai 2024 auf die Erde, mischen sich grüne und rote Aurorae zu einem Farbspektakel mit vielen Abstufungen, darunter auch Pink.

„Dass uns etwas treffen wird, war abzusehen. Dass es so heftig sein würde, konnte man nicht genau vorhergesagen“, sagt Sami Solanki. Zahlreiche Observatorien beobachten die Sonne und ihre Aktivität pausenlos. Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) etwa betreibt mit dem Space Weather Service Network eine Wettervorhersage für das Sonnensystem. Wenn sich auf der Sonne etwas zusammenbraut, sieht man das auf Fotos der Sonnenoberfläche. Wer die Sonnenoberfläche mit einem speziellen Sonnenteleskop beobachtet (bitte nie ohne fachkundige Anleitung auf die Sonne schauen), hat im Schnitt alle elf Jahre gute Chancen, vermehrt Sonnenflecken zu entdecken. „Je mehr Sonnenflecken sich tummeln und je komplexer die Region aufgebaut ist, desto aktiver ist sie“, sagt Solanki.

Peitschenhiebe in Richtung Erde
Spezielle Instrumente sehen noch mehr: Über den Sonnenflecken strömt hell leuchtendes Plasma aus, macht einen weiten Bogen und verschwindet in der Nähe wieder in der Sonne. Hinter den Schleifen und Bögen verbirgt sich das Magnetfeld der Sonne. Auch hier gilt: Das Plasma der Sonne, also Protonen, Elektronen und andere elektrisch geladene Atome, bewegt sich vornehmlich entlang der Magnetfelder. „Es ist, als wäre das Magnetfeld im Plasma der Sonne eingefroren“, sagt Sami Solanki. Das Magnetfeld der Sonne spielt eine Schlüsselrolle bei der Entstehung der Polarlichter: „Es ist viel komplexer und dynamischer als das Magnetfeld der Erde.“ Die Sonne rotiert und mit ihr das Plasma in ihrem Inneren, als hätte man ein Goldfischglas einmal kräftig umgerührt. Die Magnetfelder, die so entstehen, wickeln sich durch die Rotation des Plasmaballs regelrecht auf – ein Wirrwarr an Feldlinien, die sich vor allem über Sonnenflecken auch mal kreuzen. Dabei kommt es auch zu magnetischen Kurzschlüssen, die einen Schwall geladener und magnetisierter Teilchen ins All schleudern. Die magnetischen Pakete, die hier buchstäblich geschnürt wurden, erreichen Geschwindigkeiten von Hunderten bis Tausenden Kilometern pro Sekunde, das sind mehrere Millionen Kilometer pro Stunde. Solche Auswürfe nennt man auch Coronal Mass Ejections, sie erreichen die Erde je nach Geschwindigkeit innerhalb eines Tages oder weniger Tage. „Das macht eine genaue Vorhersage schwer“, so Solanki. Unklar ist auch, wie viele Teilchen ein Ausbruch tatsächlich mit sich bringt.

Letzte Gewissheit liefern den Weltraum-Wetterdiensten Satelliten, die sich ständig auf der Achse zwischen Erde und Sonne aufhalten. Sie vermessen den Sonnenwind im Detail. Vom Zeitpunkt der Messung an dauert es 15 bis 60 Minuten bis der magnetische Teilchensturm auf die Erdatmosphäre peitscht. Daher gibt es Vorhersagen für Polarlichter meist nur etwa 30 Minuten im Voraus. Ein Richtwert für einen nahenden Weltraum-Sturm ist auch der sogenannte Kp-Index. Je höher dieser Wert, desto stärker ist das Erdmagnetfeld gestört und desto höher ist auch die Wahrscheinlichkeit für Polarlichter. Schon am 10. Mai 2024 beobachtete das Space Weather Network der ESA, wie der Kp-Wert steil nach oben schoss. Überraschend war, dass der Kp-Index Werte von 7 und mehr erreichte und dass das Bombardement zwei bis drei Tage anhielt. Grund dafür war eine höchst aktive Region auf der Sonne, die wenige Tage zuvor eine ganze Serie von Auswürfen in Richtung Erde abgestoßen hat. Dass diese im Erdmagnetfeld gar einen geomagnetischen Sturm der Klasse G5 auslösten, könnte daran gelegen haben, dass sie nicht wie so oft nacheinander eintrafen, sondern nach einer wahren Aufholjagd fast gleichzeitig und mit geballter Wucht ins Ziel rauschten.

Werden wir weiterhin Polarlichter sehen?
Ob man Polarlichter zu Gesicht bekommt oder nicht, hängt von vielen Faktoren ab und ist – wie so oft in der Natur – ein Spiel der Wahrscheinlichkeiten. „Trifft ein Teilchenstrom die Erde am Vormittag, ist es eher unwahrscheinlich, Nachts noch etwas zu sehen“, so Solanki. Auch hänge das atmosphärische Leuchtphänomen stark davon ab, wie das mitgeführte Magnetfeld des Sonnenwinds zu dem der Erde ausgerichtet ist. Eine aktive Sonne sei übrigens keine Garantie für eine Aurora Borealis, so Solanki. „Im Gegenteil: Es kann auch bei niedriger Sonnenaktivität einen starken Ausbruch geben. Es ist also schwer abzusehen, ob und wie stark die Erde in den nächsten Wochen oder Monaten getroffen werden wird und ob Polarlichter in Deutschland nochmal zu sehen sein werden.“ Die Aktivität der Sonne folgt im Durchschnitt einem 11-Jahres Zyklus. Dieser ist aber alles andere als in Stein gemeißelt, in Wahrheit folgt alle 9 bis 13 Jahre ein Maximum auf das nächste. So könnte das Aktivitätsmaximum mit dem geomagnetischen Sturm Mitte Mai bereits überschritten worden sein oder noch folgen. Ein gelegentlicher Blick auf die Vorhersageportale lohnt sich: Das sogenannte Polarlichtoval zeigt an, wo man bei einer sternklaren Nacht Glück haben könnte. Und manchmal zieht sich die Wahrscheinlichkeitsverteilung vom Polarkreis bis weit nach Süden. „Deutschland erstreckt sich Hunderte Kilometer von Nord nach Süd, insofern hat man an der Nordsee häufiger Glück als in Bayern“, sagt Sami Solanki.

Nah am Blackout vorbeigeschrammt
Polarlichter sind ein Schauspiel mit Gänsehautgarantie, keine Frage. Sie machen aber auch eine Bedrohung sichtbar, die schnell verheerende Auswirkungen auf unseren Alltag haben kann. Eine Studie der Europäischen Weltraumorganisation beziffert den sozioökonomischen Schaden, den ein einzelnes, fatales Weltraumwetterereignis in Europa anrichten kann, auf rund 15 Milliarden Euro. Als die Erde zuletzt 2003 von einem derart extremen Sonnensturm getroffen wurde, brachen in Schweden Teile des Stromnetzes zusammen. Nach den gleichen Regeln der Elektrodynamik, nach denen das Erdmagnetfeld durcheinander gerät, wenn eine Ladungswolke von der Sonne darüber hereinbricht, kann das sich verändernde Magnetfeld wiederum den Elektronen in Stromtrassen auf der Erde zusätzlichen Schwung verleihen. Solche induzierten Stromspitzen sind in der Lage, Transformatoren zu beschädigen und ein Stromnetz lahmzulegen. Dieser Effekt steht in keinem Verhältnis zu und ist viel stärker als gelegentliche Unregelmäßigkeiten in der Stromversorgung durch erneuerbare Energien.

Auch Satelliten geraten bei einem solchen Ereignis unter Stress. Neben der empfindlichen Technik an Bord, die durch beschleunigte Sonnenteilchen beschädigt werden kann, heizen Sonnenstürme die Erdatmosphäre auf, die sich dadurch nach oben ausdehnt. Ein Satellit in einer niedrigen Umlaufbahn wird dann durch die erhöhte Reibung mit den Luftteilchen regelrecht ausgebremst. Ein schwächerer Sonnensturm brachte auf diese Weise im Jahr 2022 gleich 44 Starlink-Satelliten zum Absturz. Während die Starlink-Flotte den Sturm am 11. Mai 2024 unbeschadet überstand, brachte der Teilchenwind auch die Ionosphäre durcheinander, die die kurzwelligen Funksignale zwischen GPS-Satelliten und Empfänger durchqueren müssen. Dies führte bisweilen zu Ungenauigkeiten bei der GPS-Ortung. Dass der außergewöhnlich starke Sturm der Sonne so wenig Schaden angerichtet hat, liegt zum einen daran, dass Energieversorger Stromnetze zunehmend resilient gestalten, zum anderen an der Qualität der Vorhersagen. Diese helfen also nicht nur denjenigen, die Polarlichter sehen wollen, sondern dienen auch der allgemeinen Sicherheit.

Während des nächtlichen Treibens auf dem Zeltplatz in der Fränkischen Schweiz machen inzwischen Posts in den sozialen Medien die Runde, die versichern, dass das Leuchten auch in weit entfernten Städten zu sehen ist. Die Option eines herannahenden Waldbrandes ist also vom Tisch. Lediglich die Navigation zum Kletterfelsen per GPS wird sich am nächsten Morgen noch als schwierig erweisen. Was bleibt, ist eine seltene Gelegenheit zum kollektiven Staunen und Wundern. Das Gemurmel wird sich noch bis tief in die Nacht ziehen. Die einen werden erzählen, wie sie selbst einmal Polarlichter im hohen Norden bestaunt haben, die anderen freuen sich wie die Kinder und mit den Kindern, die einmal länger wach bleiben dürfen.

Hintergrundinformationen und FAQ
Was ist der Unterschied zwischen einem geomagnetischen Sturm und einem Strahlungssturm?
Bei einem Strahlungssturm werden geladene Teilchen, also Elektronen oder Protonen, auf besonders hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Die Ursache dafür sind magnetische Ausbrüche auf der Sonne, die auch Massenauswürfe zur Folge haben. Strahlungsstürme werden von der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) in S-Klassen eingeordnet (S1 bis S5).

Ein geomagnetischen Sturm führt ebenfalls geladene Teilchen mit sich, diese sind in einem massiven Plasmapaket magnetisch eingeschlossen, welches das Erdmagnetfeld beim Auftreffen stört. Diese Art der Stürme sind die Folge von Coronalen Massenauswürfen der Sonne und werden von der NOAA in G-Klassen eingeordnet (G1 bis G5).

Wie schützen sich Astronautinnen und Astronauten vor Sonnenstürmen?
Stark beschleunigte Teilchen sind eine besondere Gefahr für Astronautinnen und Astronauten, die sich jenseits des schützenden Erdmagnetfelds aufhalten. Diese Teilchen dringen tief in menschliches Gewebe ein und können etwa die DNA schädigen. Laut der NASA bestand beim Sonnensturm vom Mai 2024 keine direkte Gefahr für die Crew der Internationalen Raumstation. Hier handelte es sich um einen extremen geomagnetischen Sturm aber nur um einen moderaten Strahlungssturm der Klasse S1-S2. Im Extremfall gibt es speziell abgeschirmte Bereiche auf der Raumstation, die einen gewissen Schutz bieten. Strahlungsausbrüche der Sonne sind auch eine große Herausforderung für zukünftige bewohnte Stationen auf dem Mond oder dem Mars. Es gibt Vorschläge, wonach langfristig bewohnte Siedlungen etwa unter der Marsoberfläche Schutz finden könnten.

Wie verändert sich die Sonnenaktivität?
Die Sonne verändert ihre Aktivität durchschnittlich in einem 11-Jahres Zyklus. Auf ein Maximum folgt in 9 bis 13 Jahren ein weiteres Maximum. Ein Maß für eine erhöhte Sonnenaktivität sind dabei die Sonnenflecken: Zählt man sie und trägt die Anzahl über die Zeit auf, ergibt sich ein ganz ähnlicher, zyklischer Verlauf wie bei der Strahlungsintensität der Sonne.

Was ist die Ursache für den 11-Jahres Zyklus?
Der Zyklus hat direkt etwas mit dem sich ständig verändernden Magnetfeld der Sonne zu tun. Dieses hat, ähnlich wie die Erde, eine dipolartige Struktur und entsteht durch die Ströme des heißen Plasmas, die im Inneren der Sonne auf und absteigen und sich wie ein Dynamo mit der Rotation der Sonne im Kreis drehen. Alle 9 bis 13 Jahre polt sich dieses Feld vollständig um.

Warum sich das Magnetfeld umpolt, ist nicht abschließend geklärt. Plausibel aber erscheint dieses Szenario: Die geladenen Teilchen im Sonnenplasma und das Magnetfeld der Sonne können sich nicht gegeneinander bewegen. „Das Plasma ist im Magnetfeld eingefroren“, so beschreibt es Sami Solanki. Die Sonne ist kein starrer Körper, sondern ein Gasball, der durch seine eigene Schwerkraft zusammenhält. Hier rotiert der Äquator schneller um die Sonnenachse als die Polregionen. „Diese differentielle Rotation führt dazu, dass sich das ursprünglich dipolartige Magnetfeld aufgewickelt“, so Solanki weiter. Das Magnetfeld der Sonne verwandelt sich so in fünf bis sechs Jahren von einem Dipol in ein sogenanntes toroidal-dominiertes Magnetfeld. Beim weiteren Umschwenken hin zu einem Dipolfeld umgekehrter Polarität, könnte laut Solanki die Corioliskraft eine Rolle spielen.

Das Aktivitätsmaximum der Sonne fällt genau in den Zeitraum, in dem sich ihr Magnetfeld aufwickelt. Diese Umbruchphase ist gezeichnet durch turbulente Feldkomponenten und sich dynamisch überlagernde Feldlinien. Wenn sich diese einschnüren, entstehen magnetische Kurzschlüsse. Dabei wird so viel Energie freigesetzt, dass das Plasma mit samt des abgeschnürten Magnetfelds ins Weltall spratzt.

Verändert sich auch die Wärmeeinstrahlung der Sonne?
Ohne das wärmende Licht der Sonne, wäre es auf der Erde mit etwa -19 Grad Celsius sehr kalt. Der natürliche Treibhauseffekt speichert dabei insbesondere den wärmenden Infrarotanteil des Sonnenspektrums unter der Glocke der Atmosphäre. Der von der Internationalen Astronomischen Union festgelegte Richtwert für die pro Quadratmeter eingebrachte Sonnenleistung beträgt aktuell 1361 Watt pro Quadratmeter. Auch dieser Wert unterliegt dem 11-Jahres-Zyklus. Er schwankt aber nur um etwa ein Watt pro Quadratmeter zwischen maximaler und minimaler Sonnenaktivität. Unter dem Strich heizt sich die Erde dadurch weder dauerhaft auf noch kühlt sie sich dauerhaft ab.

Dem gegenüber steht der menschengemachte Treibhauseffekt, hervorgerufen etwa durch CO₂ oder Methan (CH₄). Alle menschengemachten Treibhausgase zusammen heizen die Erde um ganze drei Watt pro Quadratmeter auf. Und da die Treibhausgase nicht rückläufig sind (im Gegenteil), bedeutet das eine kontinuierliche Aufheizung. Die 11-Jahres Schwankung der Sonnenaktivität spielt bei der Klimaerwärmung also keine Rolle. Bemerkenswert ist die kurze Zeitskala innerhalb der die Energiebilanz der Erde durch den Menschen verändert wurde.

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• Himmelsschauspiel

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 12. April 2024.

12. April 2024 – Das Magnetfeld eines Sterns muss berücksichtigt werden, um die Größe und andere Eigenschaften seiner Exoplaneten aus Beobachtungsdaten von Weltraumteleskopen wie Kepler, James Webb oder PLATO korrekt zu bestimmen. Das belegen neue Modellrechnungen, die eine Forschergruppe unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen heute in der Fachzeitschrift Nature Astronomy vorstellt. Die Forschenden zeigen, dass die Helligkeitsverteilung des Sterns über seine gesamte Scheibe von seiner magnetischen Aktivität abhängt. Dies wiederum beeinflusst die Spuren, die seine Exoplaneten in Beobachtungsdaten hinterlassen. Das neue Modell der Forschergruppe ist unerlässlich, um bei der Suche nach fernen Welten außerhalb unseres Sonnensystems die Daten der neusten Generation von Weltraumteleskopen richtig interpretieren zu können.

700 Lichtjahre entfernt von der Erde im Sternbild Jungfrau zieht der Planet WASP-39b seine Bahnen um den Stern WASP-39. Der Gasriese, der kaum mehr als vier Tage für einen Umlauf benötigt, zählt zu den am besten untersuchten Exoplaneten: Kurz nach der Inbetriebnahme im Juli 2022 richtete das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA seinen hochpräzisen Blick auf den fernen Planeten. In den Messdaten fanden sich Hinweise auf große Mengen Wasserdampf, auf Methan und sogar erstmals auf Kohlendioxid in der Atmosphäre von WASP-39b. Eine kleine Sensation. Doch es bleibt ein Wermutstropfen: Forschenden gelingt es bisher nicht, alle entscheidenden Details der Messkurven in Modellrechnungen zu reproduzieren. Dies steht einer noch exakteren Auswertung der Daten im Wege. In ihrer aktuellen Studie zeigt das vom MPS geleitete Team, zu dem auch Forschende des Massachusetts Institute of Technology (USA), des Space Telescope Science Institute (USA), der Universität Keele (Vereinigtes Königreich) und der Universität Heidelberg gehören, einen Weg auf, dieses Hindernis zu überwinden.

„Die Probleme, die sich bei der Interpretation der Messdaten von WASP-39b ergeben, kennen wir von vielen Exoplaneten – ganz gleich, ob sie mit den Weltraumteleskopen Kepler, TESS, James-Webb oder der zukünftigem Raumsonde PLATO beobachtet werden“, erklärt MPS-Wissenschaftlerin Dr. Nadiia Kostogryz, Erstautorin der neuen Studie. „Auch bei WASP-39 fällt die beobachtete Lichtkurve flacher ab, als bisherige Modelle erklären können“, fügt sie hinzu.

Als Lichtkurve bezeichnen Forschende Helligkeitsmessung eines Sterns über einen längeren Zeitraum. Die Helligkeit eines Sterns fluktuiert ständig, etwa weil seine Leuchtkraft natürlichen Schwankungen unterliegt. Auch Exoplaneten können Spuren in der Lichtkurve hinterlassen. Zieht ein Exoplanet vom Beobachter aus betrachtet vor seinem Stern vorbei, verdunkelt er ihn. In der Lichtkurve zeigt sich dies als regelmäßig wiederkehrender Helligkeitsabfall. Genaue Auswertungen solcher Kurven liefern Informationen über Größe und Umlaufdauer des Planeten. Zudem können Forschende ihnen Informationen über die Zusammensetzung der Atmosphäre des Planeten entnehmen, wenn sie das Sternenlicht in seine verschiedenen Wellenlängen aufgespalten.

Genauer Blick auf den Randbereich
Eine entscheidende Rolle bei der Interpretation einer Lichtkurve spielt der Randbereich eines Sterns. Wie im Fall der Sonne erscheint dieser dem Beobachter dunkler als der innere Bereich des Sterns. Dabei leuchtet der Stern weiter außen nicht wirklich weniger hell. „Da der Stern eine Kugel ist und seine Oberfläche gekrümmt, schauen wir am Rand in höhere und deshalb kühlere Schichten als in der Mitte“, erklärt Koautor und MPS-Direktor Prof. Dr. Laurent Gizon. „Dieser Bereich erscheint uns deshalb dunkler“, fügt er hinzu.

Dass sich die Randverdunklung auf die genaue Form des Exoplaneten-Signals in der Lichtkurve auswirkt, ist bekannt: Die Verdunklung bestimmt, wie steil die Helligkeit eines Sterns beim Planetentransit abfällt und danach wieder ansteigt. Doch mit herkömmlichen Modellen der Sternatmosphäre war es bisher nicht möglich, Messdaten genau zu reproduzieren. Die gemessenen Lichtkurven fielen stets weniger abrupt ab, als die Modellrechnungen erwarten ließen. „Es war klar, dass uns ein entscheidendes Puzzleteil fehlt, um das Signal der Exoplaneten genau zu verstehen“, so Koautor und MPS-Direktor Prof. Dr. Sami Solanki.

Magnetfeld ist das fehlende Puzzleteil
Wie die heute veröffentlichten Rechnungen zeigen, handelt es sich bei dem gesuchten Puzzleteil um das Magnetfeld des Sterns. Wie auch die Sonne erzeugen viele Sterne tief in ihrem Innern durch gewaltige Plasmaumwälzungen ein Magnetfeld. Dieses konnten die Forscher*innen nun erstmals in ihre Modellrechnungen der Randverdunklung einbeziehen. Dabei zeigte sich, dass sich die Stärke des Magnetfeldes empfindlich auswirkt: Bei Sternen mit schwachem Magnetfeld ist die Randverdunklung ausgeprägt; bei solchen mit starkem Magnetfeld fällt sie schwächer aus.

Zudem konnten die Forscher*innen belegen, dass die Diskrepanz zwischen Beobachtungsdaten und Modellrechnungen verschwindet, wenn das Magnetfeld des Sterns mitberücksichtigt wird. Dafür wandte sich das Team ausgewählten Messdaten des NASA-Weltraumteleskops Kepler zu, das von 2009 bis 2018 das Licht abertausender Sterne einfing. In einem ersten Schritt modellierten die Wissenschaftler*innen die Atmosphäre typischer Kepler-Sterne unter Beisein eines Magnetfeldes. In einem zweiten Schritt erzeugten sie dann aus diesen Rechnungen „künstliche“ Beobachtungsdaten. Wie ein Vergleich mit den echten Messdaten zeigte, gelingt es, die Kepler-Daten zu reproduzieren, wenn das Magnetfeld berücksichtigt wird.

Ebenso weitete das Team seine Überlegungen auf Messdaten des James-Webb-Teleskops aus. Dies ist in der Lage, das Licht ferner Sterne in seine verschiedenen Wellenlängen zu zerlegen und so nach den charakteristischen Anzeichen bestimmter Moleküle in der Atmosphäre der entdeckten Planeten zu suchen. Wie sich zeigt, beeinflusst das Magnetfeld des Muttersterns seine Randverdunklung in verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich – und sollte deshalb bei künftigen Auswertungen mitberücksichtigt werden, um noch präzisere Ergebnisse zu erzielen.

Von Teleskopen zu Modellen
„In den vergangenen Jahrzehnten und Jahren bestand der Weg, in der Exoplanetenforschung voranzukommen, darin, die Hardware zu verbessern, also die Weltraumteleskope, die für die Suche nach neuen Welten und deren Charakterisierung entwickelt wurden. Das James-Webb-Weltraumteleskop ist die aktuelle Spitze dieser Entwicklung“, so Dr. Alexander Shapiro, Koautor der aktuellen Studie und Leiter einer MPS-Forschungsgruppe, die von der Europäischen Forschungskommission (ERC) gefördert wird. „Der nächste Schritt ist es nun, die Modelle zur Interpretation dieser hervorragenden Daten zu verbessern und zu verfeinern“, fügt er hinzu.

Um diese Entwicklung weiter voranzutreiben, wollen die Forscher*innen ihre Analysen nun auf Sterne ausweiten, die sich deutlich von der Sonne unterscheiden. Zudem bieten ihre Erkenntnisse die Möglichkeit, in Zukunft aus den Lichtkurven von Sternen mit Exoplaneten auf die Stärke des Sternmagnetfeldes zu schließen.

Originalveröffentlichung
Nadiia M. Kostogryz, Alexander I. Shapiro, Veronika Witzke et al.:
Magnetic origin of the discrepancy between stellar limb-darkening models and observations,
Nature Astronomy, 12. April 2024
dx.doi.org/10.1038/s41550-024-02252-5
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02252-5
pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-024-02252-5.pdf

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• Exoplaneten

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 12. April 2024.

12. April 2024 – Im Vorbeiflug an der Venus hat die europäisch-japanische Doppelraumsonde Bepi Colombo erstmals Kohlenstoff-Ionen gefunden, die aus der Atmosphäre des Planeten ins All entweichen. Davon berichtet eine Forschergruppe unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen heute in der Fachzeitschrift Nature Astronomy. Um auf dem Weg zum Merkur abzubremsen, hatte Bepi Colombo am 10. August 2021 zum zweiten Mal die Venus passiert. Ausgestattet mit Messinstrumenten, die denen früherer Venus-Reisenden überlegen sind, durchflog die Raumsonde dabei eine bisher unerforschte Region auf der Nachtseite des Planeten. Untersuchungen der Ionenverteilung helfen zu verstehen, welche Prozesse die Atmosphäre unseres Nachbarplaneten geformt haben und warum sie sich stark von der Gashülle der Erde unterscheidet. Ideengeber für die neuen Messungen war ein seltenes kosmisches Ereignis, das sich vor 25 Jahren ereignete – und einen Hauch der Venus bis zur Erde brachte.

Eigentlich sollte das Messinstrument MPPE (Mercury Plasma Particle Experiment) den Venus-Vorbeiflug von BepiColombo am 10. August 2021 „verschlafen“. Um auf dem Weg zum Zielplaneten Merkur Flugrichtung und -geschwindigkeit anzupassen, führte die Flugroute der Raumsonde zum zweiten Mal nah an der Venus vorbei. Den wissenschaftlich-technischen Teams der einzelnen Messinstrumente an Bord bieten Stippvisiten dieser Art nicht nur die Gelegenheit, ihr Instrument unter echten Weltraumbedingungen zu testen. Oft enthalten die Messdaten auch wertvolle wissenschaftliche Erkenntnisse. Für MPPE war jedoch nicht mit optimalen Messbedingungen zu rechnen. Während der Anreise zum Merkur fliegen beide Teilsonden von BepiColombo „aufeinandergestapelt“ durchs All; in dieser Konfiguration schränken einige Hardwarekomponenten die Sicht von MPPE ein. Das Instrument sollte ausgeschaltet bleiben.

Forscher des MPPE-Teams drangen dennoch darauf, während des Vorbeiflugs die Verteilung geladener und ungeladener Teilchen in der Umgebung des Planeten so gut es geht zu bestimmen. „Seit mehr als zwei Jahrzehnten treiben uns Messungen der Raumsonde SOHO um“, begründet dies MPS-Wissenschaftler Dr. Markus Fränz, einer der Koautoren der neuen Studie. 1996 entdeckte SOHO in der Nähe der Erde Kohlenstoff-Ionen von der Venus. Damals lag die Erde genau im Sonnenwindschatten der Venus. Unter diesen seltenen Bedingungen konnten Ionen aus der sonnenabgewandten Umgebung der Venus weit ins All vordringen und sogar die Erde erreichen. Vor Ort an der Venus war der Nachweis von Kohlenstoff-Ionen in größerer Entfernung vom Planeten bisher nicht geglückt. „Dem wollten wir unbedingt nachgehen“, so Fränz weiter.

Kein Wasser, schwaches Magnetfeld
Die Forschenden interessiert besonders, warum Venus und Erde seit ihrer Entstehung so unterschiedliche Entwicklungswege eingeschlagen haben und heute völlig verschiedene Bedingungen bieten. Während unser Heimatplanet eine lebensfreundliche Welt mit viel Wasser und sauerstoffreicher Atmosphäre wurde, hat die Venus ihr einstiges Wasser weitestgehend verloren. Der hohe Anteil an Kohlenstoffdioxid in ihrer Lufthülle begünstigt zudem einen extremen Treibhauseffekt und erzeugt so hohe Oberflächentemperaturen von im Schnitt mehr als 450 Grad Celsius. „Die Prozesse, die sich noch heute in der Ionosphäre der Venus abspielen, liefern wichtige Hinweise darauf, wie sich der Planet entwickelt hat“, so MPS-Wissenschaftler und Koautor Dr. Norbert Krupp.

Anders als die Erde erzeugt die Venus in ihrem Innern nicht selbst ein Magnetfeld, das Teilchen aus der Atmosphäre an den Planeten bindet. Die geladenen Teilchen des Sonnenwindes, des stetigen Teilchenstroms von der Sonne, induzieren lediglich ein schwaches Magnetfeld. Leichte oder schnelle Teilchen können deshalb den Einflussbereich des Planeten mühelos verlassen. Schwere Ionen und Moleküle hingegen wie etwa Kohlenstoff-Ionen müssten – wie auch auf der Erde oder dem Mars – eigentlich gebunden bleiben. Oder nicht?

Höhere Auflösung als Vorgänger
Beim Vorbeiflug ist es nun erstmals gelungen, die SOHO-Messungen von 1996 in unmittelbarer Nähe zur Venus zu bestätigen. „Offenbar erhalten Kohlenstoff-Ionen in der Venus-Magnetosphäre genug Energie, um ins All zu entweichen“, fasst MPS-Wissenschaftler und Koautor Dr. Harald Krüger zusammen. Das zeigen Messungen der MPPE-Sensoren Mass Spectrum Analyzer (MSA) und Mercury Ion Analyzer (MIA), die Mitglieder des MPPE-Teams unter Leitung des Pariser Observatoriums heute in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlichen. Vergleichbare Untersuchungen älterer Venus-Sonden wie etwa Venus Express waren nicht in der Lage gewesen, Kohlenstoff-Ionen von anderen Ionen und Molekülen mit ähnlichen Massen verlässlich zu unterscheiden. Erst die Instrumente von BepiColombo boten dafür jetzt die notwendige Massenauflösung.

„In der Atmosphäre der Venus ist offenbar eine komplexe Atmosphären-Chemie am Werk, die sich von der von Erde und Mars grundlegend unterscheidet“, so Fränz. Neben den Kohlenstoff-Ionen fanden die Forscher*innen zudem etwa dreimal so viele entweichende Sauerstoff-Ionen. Der Überschuss an Sauerstoff-Ionen deutet auf Wasser-Moleküle oder -Ionen als mögliche Quelle hin.

Flugroute durch unerforschtes Gebiet
Beim Vorbeiflug näherte sich BepiColombo der Venus von der Nachtseite. Dort ist die Venus-Magnetosphäre typischerweise schweifförmig langgezogen und ragt weit ins All hinaus. Die aktuellen Messungen gelangen in einem Abstand von etwa 36.000 Kilometern vom Planeten. Diese Region hatte zuvor noch keine andere Weltraummission durchquert: Die Flugbahnen der ESA-Raumsonde Venus Express, die den Planeten ab 2006 etwa acht Jahre lang umrundete, führten auf der Nachtseite des Planeten näher an der Oberfläche vorbei; der in den späten 70er Jahren gestartete Pioneer Venus Orbiter der NASA hielt hingegen einen größeren Abstand.

Weitere Erkenntnisse zu den chemischen Reaktionen, die sich in der Atmosphäre der Venus abspielen, erhoffen sich die Wissenschaftler*innen von künftigen Venus-Besuchern. Auf ihrem sehr langgestreckten Orbit um die Sonne wird die ESA-Raumsonde Solar Orbiter den Planeten in den nächsten Jahren mehrfach passieren; voraussichtlich in den 30er Jahren startet zudem die ESA-Venus-Mission EnVision ins All.

MPS-Beteiligungen
Das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung ist an insgesamt vier Instrumenten der Mission BepiColombo beteiligt. Zum Instrumentenpaket MPPE (Mercury Plasma Particle Experiment) haben Wissenschaftler*innen und Ingenieur*innen des Instituts Komponenten des Sensors MSA (Mass Spectrum Analyzer) entwickelt und gebaut. Zudem war und ist das Institut an Venus-Missionen beteiligt. Zu der ESA-Raumsonde Venus Express hatte das Institut das Messinstrument ASPERA-4 (Analyser of Space Plasmas and Energetic Atoms) beigesteuert. Für die künftige ESA-Mission EnVision zur Venus entwickelt das MPS Komponenten des Spektrometers VenSpec.

Originalveröffentlichung
L.Z. Hadid, D. Delcourt, Y. Saito, M. Fränz et al.:
BepiColombo observations of cold oxygen and carbon ions in the flank of the induced magnetosphere of Venus
Nature Astronomy, 12. April 2024
dx.doi.org/10.1038/s41550-024-02247-2
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02247-2
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• Planet Venus

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 27. März 2024.

27. März 2024 – Das Innere der Sonne dreht sich nicht in allen Breitengraden mit der gleichen Geschwindigkeit. Der physikalische Ursprung dieser differentiellen Rotation ist noch nicht vollständig geklärt. Ein Team von Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen hat jetzt eine bahnbrechende Entdeckung gemacht. Wie das Team heute in der Zeitschrift Science Advances berichtet, spielen langperiodische Sonnenschwingungen eine entscheidende Rolle dabei, das Rotationsmuster der Sonne zu steuern. MPS-Wissenschaftler hatten diese Schwingungen 2021 entdeckt. Die langperiodischen Schwingungen sind vergleichbar mit den baroklin instabilen Wellen in der Erdatmosphäre, die das Wetter bestimmen. Auf der Sonne transportieren diese Schwingungen Wärme von den etwas heißeren Polen zum etwas kühleren Äquator. Um zu ihren neuen Ergebnissen zu gelangen, werteten die Wissenschaftler Beobachtungen des Solar Dynamics Observatory der NASA mit Hilfe modernster numerischer Simulationen des Sonneninneren aus. Sie fanden heraus, dass der Temperaturunterschied zwischen den Polen und dem Äquator etwa sieben Grad beträgt.

Das differentielle Rotationsmuster der Sonne gibt Wissenschaftler*innen seit Jahrzehnten Rätsel auf: Während sich die Pole mit einer Periode von etwa 34 Tagen drehen, rotieren die mittleren Breiten schneller und die Äquatorregion benötigt nur etwa 24 Tage für eine volle Umdrehung. Darüber hinaus haben in den vergangenen Jahren Fortschritte in der Helioseismologie, d.h. der Untersuchung des Sonneninneren mit Hilfe von solaren Schallwellen, ergeben, dass dieses Rotationsprofil in der gesamten Konvektionszone nahezu konstant ist. Die Konvektionszone der Sonne erstreckt sich von einer Tiefe von etwa 200.000 Kilometern bis zur sichtbaren Sonnenoberfläche und ist Schauplatz heftiger Umwälzungen des heißen Sonnenplasmas. Diese spielen eine entscheidende Rolle für den Magnetismus und die Aktivität der Sonne.

Theoretische Modelle deuten seit Langem darauf hin, dass zwischen den Sonnenpolen und dem Äquator ein geringer Temperaturunterschied vorliegen muss. Nur so lässt sich das bekannte Rotationsmuster der Sonne aufrechterhalten. Diesen Temperaturunterschied zu messen, hat sich allerdings als äußerst schwierig erwiesen. Schließlich müssen Beobachtungen durch den Hintergrund des tiefen Sonneninneren „hindurchsehen“, das eine Temperatur von bis zu einer Million Grad aufweist. Wie die MPS-Forscher zeigen, ist es nun aber möglich, den Temperaturunterschied aus Beobachtungen der langperiodischen Schwingungen der Sonne zu ermitteln.

Schwingungen in hohen Breitengraden steuern die differentielle Rotation
Bei ihrer Analyse von Beobachtungsdaten, die der Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) an Bord des Solar Dynamics Observatory der NASA von 2017 bis 2021 aufgenommen hat, wandten sich die Wissenschaftler globalen Sonnenschwingungen mit langen Perioden zu, die als Wirbelbewegungen an der Sonnenoberfläche erkennbar sind. Vor drei Jahren hatten MPS-Wissenschaftler diese Trägheitsschwingungen entdeckt. Von diesen beobachteten Schwingungsmoden erwiesen sich jene als besonders einflussreich, die ihre maximalen Geschwindigkeiten von bis zu 70 Kilometer pro Stunden in hohen Breitengraden erreichen.

Um die nichtlineare Natur dieser Schwingungen zu untersuchen, wurde eine Reihe numerischer dreidimensionaler Simulationen durchgeführt. In den Simulationen der langperiodischen Schwingungen mit maximalen Geschwindigkeiten in hohen Breiten zeigt sich, dass diese Schwingungen Wärme von den Sonnenpolen zum Äquator transportieren. Dadurch begrenzen sie den Temperaturunterschied zwischen diesen Gebieten auf weniger als sieben Grad. „Der sehr geringe Temperaturunterschied zwischen den Polen und dem Äquator steuert die Drehimpulsbilanz in der Sonne und ist damit ein wichtiger Rückkopplungsmechanismus für die globale Dynamik der Sonne“, sagt MPS-Direktor Prof. Dr. Laurent Gizon.

Mit ihren Simulationen haben die Forscher die entscheidenden Prozesse erstmals in einem vollständig dreidimensionalen Modell beschrieben. Frühere Bemühungen hatten sich auf zweidimensionale Ansätze beschränkt, die eine Symmetrie um die Rotationsachse der Sonne voraussetzen. „Der Abgleich der nichtlinearen Simulationen mit den Beobachtungen ermöglichte es uns, die Physik der langperiodischen Schwingungen und ihre Rolle bei der Steuerung der differentiellen Rotation der Sonne zu verstehen“, sagt Dr. Yuto Bekki, MPS-Postdoc und Hauptautor der Studie.

Sonneninneres und Erdatmosphäre haben eine ähnliche Physik
Die Oszillationen mit maximalen Geschwindigkeiten in hohen Breitengraden der Sonne werden ähnlich wie außertropische Wirbelstürme auf der Erde durch ein Temperaturgefälle angetrieben. Die Physik ist ähnlich, auch wenn die Details unterschiedlich sind: „Auf der Sonne ist der Sonnenpol etwa sieben Grad heißer als der Äquator, und das reicht aus, um Strömungen von etwa 70 Kilometern pro Stunde über einen großen Teil der Sonne anzutreiben. Der Prozess ähnelt in gewisser Weise dem Antrieb von Wirbelstürmen“, sagt MPS-Wissenschaftler Dr. Robert Cameron.

Große Erwartungen
Die Physik des tiefen Sonneninneren zu erforschen ist schwierig. Die aktuelle Studie ist wichtig, da sie zeigt, dass die langperiodischen Schwingungen der Sonne nicht nur nützliche „Diagnoseinstrumente“ für das Sonneninnere sind, sondern dass sie aktiv die Prozesse in der Sonne steuern. Zukünftige Arbeiten, die im Rahmen des ERC Synergy Grant WHOLESUN und des Sonderforschungsbereiches 1456 ‘Mathematik des Experiments’ durchgeführt werden, zielen darauf ab, die Rolle dieser Schwingungen und ihr diagnostisches Potenzial besser zu verstehen.

Originalveröffentlichung
Yuto Bekki, Robert H. Cameron, Laurent Gizon:
The Sun’s differential rotation is controlled by high-latitude baroclinically unstable inertial modes,
Science Advances, 27. März 2024
dx.doi.org/10.1126/sciadv.adk5643
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk5643

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• Unsere Sonne

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 5. März 2024.

5. März 2024 – Um Abertausende von Sonnenflecken in historischen Zeichnungen der Sonne zu zählen, sucht ein gemeinsames Forschungsprojekt des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) aus Göttingen und des italienischen Nationalen Instituts für Astrophysik (INAF) die Unterstützung engagierter Amateurforscher*innen. Ihre Aufgabe ist es, die fast täglichen Beobachtungen der Sonne zu sichten, die der Astronom Angelo Secchi und seine Mitarbeiter zwischen 1853 und 1878 in detaillierten Zeichnungen festgehalten haben. Die Sammlung ist einer der umfassendsten Datensätze zu Sonnenfleckenbeobachtungen des 19. Jahrhunderts. Solche historischen Daten helfen zu verstehen, wie aktiv unser Stern einst war – und was er in Zukunft für uns bereithalten könnte. Das Projekt „Sunspot Detectives“ wurde heute auf der Citizen Science Plattform Zooniverse freigeschaltet.

In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts entstand in Rom eine einzigartige Sammlung von Beobachtungsdaten der Sonne. Vom neu errichteten Observatorium der Jesuitenschule Collegio Romano auf dem Dach der Kirche Sant‘Ignazio schauten der Jesuitenpater und Astronom Angelo Secchi, seine Mitarbeiter und Assistenten mehr als drei Jahrzehnte lang regelmäßig auf unser Zentralgestirn und übertrugen ihre Beobachtungen in beinahe tägliche Bleistiftzeichnungen. Mit feinen Strichen markierten sie darin unter anderem Größe, Form und Lage aller dunklen Flecke, die sie mit Hilfe ihrer Teleskope erkennen konnten. Seit vergangenem Jahr sind die mehr als 5400 Zeichnungen, die dem italienischen Nationalen Institut für Astrophysik (INAF) gehören und im Astronomischen Observatorium Rom bewahrt werden, vollständig digitalisiert und damit für die Forschung nutzbar. Das riesige Konvolut auszuwerten ist eine gewaltige Aufgabe. Forscher*innen des MPS und des INAF setzen deshalb auf die Citizen Science Plattform Zooniverse.

Solare Geschichtsforschung
„Wenn wir heute auf die Sonne schauen, sehen wir nur eine Momentaufnahme, einen winzigen Ausschnitt in ihrem schon 4,6 Milliarden Jahre währenden Leben“, erklärt Dr. Theodosios Chatzistergos vom MPS, der das Zooniverse-Projekt „Sonnenfleck-Detektive“ ins Leben gerufen hat. „Erst ein Blick zurück in die Geschichte der Sonne hilft uns einzuschätzen, zu welchem Verhalten unser Stern prinzipiell fähig ist – und was in Zukunft möglicherweise von ihm zu erwarten ist“, fügt er hinzu. Bekannt ist, dass die Sonne Phasen schwächerer und stärkerer Aktivität durchläuft. Einem grob elfjährigen Aktivitätszyklus sind dabei deutlich längere Schwankungen überlagert. In aktive Phasen ist die Sonne ein Feuerwerk: Häufig kommt es zu Teilchen- und Strahlungsausbrüchen; der Sonnenwind, der stetige Strom geladener Teilchen von der Sonne, „weht“ besonders stark; die Gesamtstrahlungsintensität der Sonne nimmt zu; und viele dunkle Sonnenflecke – häufig in Gruppen angeordnet – überziehen ihre Oberfläche. In ruhigen Phasen zeigen sich solch dunkle Gebiete nur selten oder bleiben ganz aus.

In der „solaren Geschichtsforschung“ kommt den Sonnenflecken deshalb eine zentrale Rolle zu. Da sie sich schon mit einfachen Hilfsmitteln beobachten lassen, verfolgen Astronom*innen ihre Anzahl und Entwicklung seit mehr als vier Jahrhunderten. „Die Anzahl der Sonnenflecken ist die wichtigste historische Messgröße zur Sonnenaktivität der Neuzeit. Sie ist das einzige direkte Maß für die Aktivität unseres Sterns über die vergangenen vier Jahrhunderte“, so Chatzistergos. „Die Sonnenfleckenzahl erlaubt es uns, das Verhalten der Sonne über mehrere hundert Jahre zurückzuverfolgen und mit dem heutigen Zustand der Sonne zu vergleichen“, fügt er hinzu.

Eine Sonne, viele Beobachter
Umso wichtiger ist es, dass Forschenden möglichst präzise Beobachtungsdaten zur Sonnenfleckenzahl vorliegen. Die bisher nicht systematisch ausgewerteten Aufzeichnungen, die von 1853 bis 1886 am Collegio Romano entstanden, versprechen besonders aussagekräftig zu sein. Die meisten anderen Beobachtungsreihen aus demselben Jahrhundert, die etwa in Dessau, Palermo, Potsdam oder Surrey entstanden, umfassen kürzere Zeiträume, sind weniger detailreich gezeichnet oder enthalten nur tabellarisch die Anzahl der Flecken.

„Die Aufzeichnungen von Secchi und seinen Mitarbeitern sind die detailliertesten Daten über Sonnenflecken und andere ruhige und magnetische Regionen, die in diesem Zeitraum von der Sonnenoberfläche entstanden sind“, sagt Dr. Illaria Ermolli vom INAF. „Zusätzlich zu den Informationen über die Position und die Fläche der Sonnenflecken enthalten viele Zeichnungen auch Daten über Sonnenfackeln, Spikulen und Protuberanzen sowie darüber, wie sich diese Regionen entwickelt haben. Zudem weisen Anmerkungen auf historische und natürliche Ereignisse hin, wie beispielsweise Feindseligkeiten in der Stadt und die Beobachtung spektakulärer Polarlichter“, ergänzt Ermolli. Als Sonnenfackeln bezeichnen Wissenschaftler*innen besonders helle Gebiete auf der Sonnenoberfläche, die oftmals mit Sonnenflecken einhergehen; Spikulen und Protuberanzen sind Strukturen, die sich am Sonnenrand zeigen.

Den Datenschatz Secchis wissenschaftlich auszuwerten, ist ein gewaltiges Unterfangen – und das nicht nur wegen des riesigen Umfangs des Konvoluts, das mehrere tausend Ansichten der gesamten Sonnenscheibe umfasst. Die Skizzen, die Secchi und seine Mitstreiter sorgfältig auf Papier anfertigten, zeigen deutlich Spuren ihres Alters: Auf vielen Seiten finden sich dunkle Verfärbungen, die oft nur schwer von den gemalten Sonnenflecken zu unterscheiden sind. Zudem haben die verschiedenen Beobachter – neben Secchi lassen sich mindestens fünf weitere identifizieren – die Sonnenflecken sehr unterschiedlich zu Papier gebracht. Während Secchi selbst die Sonnenflecke eher in groben Umrissen andeutete, waren einige seiner Mitstreiter mit mehr Liebe zum Detail (und möglicherweise zeichnerischem Talent) bei der Sache. Mit feinen Bleistiftstrichen hielten sie detailreich die Feinstruktur jedes einzelnen Flecks fest.

„Um alle Sonnenflecken zu identifizieren, braucht es einen sorgfältigen und vor allem menschlichen Blick auf jede Zeichnung“, so Chatzistergos. Versuche, diese Aufgabe in einem automatisierten Prozess zu erleichtern, lieferten keine befriedigende Ergebnisse.

Viele helfende Augen
Ab heute stehen auf der Plattform Zooniverse mehr als 15.000 Bilder bereit, die Ausschnitte der historischen Zeichnungen zeigen. Die Ausschnitte enthalten jeweils Gruppen eng benachbarter und zum Teil recht kleiner Sonnenflecke. Die Forschenden hoffen nun auf viele Sonnenfleck-Detektive. Um verlässliche Zahlen zu bekommen, müssen möglichst viele Laienforscher jeden Bildausschnitt bearbeiten. Ein Jahr lang sind die Bilder zugänglich.

Das Webportal Zooniverse bietet eine Plattform für Forschungsprojekte, die auf die Mithilfe von Laien setzen, so genannte Citizen Science Projekte. Das Portal wird betrieben von der Citizen Science Alliance, die sich aus Vertreter*innen sieben renommierter Forschungs- und Bildungseinrichtungen zusammensetzt. Zu diesen Einrichtungen zählen etwa das Adler Planetarium in Chicago (USA), die Oxford University (England) und die Johns Hopkins University (USA). Die mehr als 90 Forschungsprojekte auf Zooniverse sind äußerst vielfältig und stammen aus Bereichen wie Astronomie, Biologie, Medizin, Geschichte und Linguistik. So können die Hobbyforscher*innen etwa Seevögel zählen, einzelne Elefanten an Hand ihrer charakteristischen Ohrenmerkmale identifizieren, historische Handschriften transkribieren oder die ersten Sprechversuche von Kleinkindern interpretieren. Projekte aus dem Bereich der Astronomie und Weltraumforschung zählten zu den ersten Citizen Science Projekten und sind auch bei Zooniverse stark vertreten.

Originalveröffentlichung
I. Ermolli, T. Chatzistergos et al.:
Solar Observations by Angelo Secchi. I. Digitization of Original Documents and Analysis of Group Numbers over the Period of 1853–1878,
The Astrophysical Journal Supplement Series, 269:53 (19pp), 2023 December
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4365/ad0886
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4365/ad0886/pdf

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