Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.

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

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

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

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

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

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

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

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.

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

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

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

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

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

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

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

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

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