Quelle: TU Graz 10. August 2023.

10. August 2023 – Auswirkungen von Sonnenstürmen auf die Erdatmosphäre können Satelliten zum Absturz bringen. Um dem vorzubeugen, setzt die European Space Agency (ESA) auf den in Graz entwickelten Vorhersageservice SODA.

Nach erfolgreicher Testphase ist der gemeinsam von TU Graz und Uni Graz entwickelte Service SODA (Satellite Orbit DecAy) seit Mitte Juli offiziell Teil des Space Safety Programmes der europäischen Weltraumagentur ESA. SODA liefert genaue Prognosen der Auswirkungen von Sonnenstürmen auf die Bahn von erdnahen Satelliten. Damit ist die TU Graz die erst dritte österreichische Einrichtung, die zu diesem Programm der ESA beiträgt. Neben Seibersdorf Laboratories war die Uni Graz zuvor bereits mit dem Observatorium Kanzelhöhe und dem Institut für Physik Teil des Programms.

Der neue Vorhersageservice ist über das ESA Space Weather Service frei verfügbar und bietet eine Vorwarnzeit von rund 15 Stunden. Da die Sonnenaktivität in den kommenden zwei Jahren ihr Maximum erreichen soll, ist die Inbetriebnahme von SODA zum aktuellen Zeitpunkt von zusätzlicher Relevanz. Wie stark sich Sonnenstürme auf die Satellitenumlaufbahn auswirken können, hat sich schon im durch die Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) geförderten Projekt SWEETS gezeigt, auf dessen Ergebnissen SODA aufgebaut ist. In diesem Projekt wurden Daten zur Dichte der Atmosphäre mit Echtzeitmessungen des Sonnenwindplasmas und des interplanetaren Magnetfelds kombiniert, um so die Auswirkungen von Sonnenereignissen zu berechnen. Bei einem großen koronalen Massenauswurf der Sonne wurde dabei festgestellt, dass Satelliten in einer Höhe von 490 Kilometern bis zu 40 Meter an Höhe verloren. Anfang Februar 2022 stürzten 38 Starlink-Satelliten bei der Inbetriebnahme auf einer Flughöhe von 210 Kilometern aufgrund eines Sonnensturmes sogar ab.

Sonnenaktivität steuert auf Höhepunkt zu
Hauptursache dafür ist, dass die geladenen Plasmateilchen, die nach einer Sonneneruption auf das Erdmagnetfeld treffen, die oberen Schichten der Erdatmosphäre so stark erhitzen, dass diese sich ausdehnen und der Luftwiderstand zunimmt. Das kostet Satelliten Geschwindigkeit und Höhe. Aufgrund der erwarteten Zunahme der Sonnenaktivität in den kommenden zwei Jahren hat die ESA einige ihrer Satelliten bereits um mehrere Kilometer angehoben, um sicher durch diesen Zeitraum zu kommen. Mit seinen Vorhersagen soll SODA zusätzliche Sicherheit schaffen. Für den Vorhersageservice steuerte die TU Graz ihre am Institut für Geodäsie vorhandene Expertise in der Verarbeitung von Satellitendaten bei, die Uni Graz brachte ihre Erfahrung im Bereich der Sonnen- und Heliosphärenphysik und der interplanetaren Magnetfeldbeobachtung ein.

Das Team rund um Sandro Krauss am Institut für Geodäsie an der TU Graz beschäftigte sich mit der Bestimmung von Atmosphärendichten über einen Zeitraum von 20 Jahren. Dafür griffen sie auf die Daten mehrerer erdnaher Satellitenmissionen zurück, darunter die Missionen CHAMP, GRACE, GRACE Follow-on und Swarm. An der Uni Graz analysierte die Forschungsgruppe um Manuela Temmer vom Institut für Physik rund 300 katalogisierte Sonneneruptionen aus den Jahren 2002 bis 2017 auf Basis von Messungen des interplanetaren Magnetfelds durch Sonden am sogenannten Lagrange-Punkt L1, der in Flugrichtung Sonne ungefähr 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt ist. Die Informationen der Uni Graz nutzte die TU Graz, um Veränderungen der Atmosphärendichte in Verbindung mit den Sonneneruptionen zu setzen. Aus der Gesamtanalyse der so gesammelten Daten entstand das Vorhersagemodell SODA.

Weltraumforschung hat hohen Stellenwert in Österreich
„Dass wir durch SODA mit der TU Graz nun die dritte Einrichtung sind, die neben Uni Graz und Seibersdorf Laboratories zum Space Safety Programm der ESA beiträgt, freut mich sehr“, sagt Sandro Krauss vom Institut für Geodäsie der TU Graz. „Von den fünf Expert Service Centers im ESA Space Weather Service Network ist Österreich damit in vier vertreten, nur Großbritannien ist an allen fünf Zentren beteiligt. Das zeigt, dass die österreichische Weltraumforschung einen hohen Stellenwert hat. Die Zusammenarbeit mit der Uni Graz bei diesem Projekt ist außerdem ein Beleg dafür, wie wertvoll interdisziplinäre Forschungsarbeit ist. Gemeinsam arbeiten wir bereits daran, SODA weiter zu verbessern.“

Manuela Temmer vom Institut für Physik der Uni Graz erklärt: „Für Uni Graz und TU Graz ist es eine schöne Anerkennung unserer Arbeit, dass wir mit diesem Service die ESA beliefern können. Es freut mich auch, dass die Zusammenarbeit weitergeht. Im Rahmen des von der FFG geförderten Projekts CASPER werden wir SODA gemeinsam noch verbessern. Es soll dazu dienen, komplexere Sonnenstürme besser zu verstehen, etwa wenn zwei Stürme sich auf dem Weg zur Erde überlagern. Weiters möchten wir auch die Atmosphärendichte auf 450 und 400 Kilometer Höhe berechnen – bisher ist uns das bis 490 Kilometer möglich. Da der Bereich der Sonnensturmvorhersage noch nicht sehr gut erforscht ist, warten hier noch viele interessante Erkenntnisse auf uns.“

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• Weltraumwetter

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Quelle: Universität Wien 6. Mai 2022.

6. Mai 2022 – Ein Forschungsteam unter Beteiligung von Álvaro Hacar vom Institut für Astrophysik der Universität Wien hat mithilfe von ALMA die Massenverteilung von über 870 planetenbildenden Scheiben in der Orion A-Wolke untersucht und überraschende Ähnlichkeiten gefunden: Demnach nimmt die Staubmasse von planetenbildenden Scheiben nur mit ihrem Alter ab, die chemische Zusammensetzung und Dynamik der Ursprungswolke scheint keine Rolle zu spielen. Für die Analyse der beispiellos großen Stichprobe wurde zudem ein neues Verfahren zur Datenreduktion entwickelt.

Die Frage, wie ähnlich andere Planetensysteme unserem Sonnensystem sind, ist eine der spannendsten der heutigen astronomischen Forschung. Eine aktuelle Studie unter Beteiligung von Astrophysiker*innen der Universität Wien zeigt nun, dass sich Planetensysteme überraschend ähnlich entwickeln.

Für die aktuell im Journal Astronomy & Astrophysics veröffentlichte Studie, wurden über 870 planetenbildende Scheiben untersucht. Den Schlüssel bildete dabei die Scheibenmasse: Rund um junge Sterne bilden sich Scheiben aus Staub und Gas, die sich zu Ringen verdichten; mit der Zeit wachsen Felsbrocken und schließlich Planeten, wodurch dann die Masse der Staub-Gas-Wolke abnimmt.

„Bisher wussten wir jedoch nicht genau, welche Eigenschaften die Entwicklung von Planetenscheiben um junge Sterne dominieren“, sagt Hauptautor Sierk van Terwisga, Wissenschafter am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg. Um zu untersuchen, wie dieser Prozess verläuft und wovon er beeinflusst wird, wählte das Astronom*innen-Team die Orion A-Wolke, eine große und bekannte Region mit jungen Sternen, die etwa 1.350 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. „Die statistische Aussagekraft unserer Aufnahmen von 873 Scheiben um junge Sterne war entscheidend, um kleine Variationen in der Scheibenmasse in Abhängigkeit vom Alter und sogar von den lokalen Umgebungen innerhalb der Orion A-Wolke zu erkennen“, erklärt Álvaro Hacar vom Institut für Astrophysik der Universität Wien.

Hohe Korrelation zwischen Scheibenmasse und Alter
Die neuen Ergebnisse zeigen nun, dass die Scheibenmasse stark vom Alter des Systems aus Stern und Scheibe abhängt – zumindest, wenn die Scheiben nicht äußerlich, beispielsweise von sehr heißen Sternen in ihrer Nähe, beeinflusst werden. Mit anderen Eigenschaften der planetenbildenden Scheiben wie deren chemischer Zusammensetzung oder der Dynamik der Ursprungswolke, aus der die jungen Sterne mit ihren Scheiben hervorgegangen sind, fanden sich keine starken Zusammenhänge; hingegen war die Korrelation zwischen Scheibenmasse und Alter überraschend hoch. „Unsere Ergebnisse deuten also darauf hin, dass sich planetenbildende Scheiben ohne externe Einflüsse in ähnlicher Weise entwickeln“, so Hacar.

Die Stichprobe geht auf frühere Beobachtungen mit dem Spitzer-Weltraumteleskop zurück, über das die Scheiben identifiziert werden konnten. Gemessen wurde die Scheibenmasse dann mithilfe des Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), das sich in der chilenischen Atacama-Wüste befindet. Für die Studie wurde jede Scheibe bei einer Wellenlänge von 1,2 Millimetern angepeilt: „In diesem Spektralbereich wird der kalte Staub sichtbar, nicht jedoch alle Objekte, die größer als ein paar Millimeter sind – vom Felsbrocken bis zum Planeten. Wir haben daher wirklich nur die Masse gemessen, aus dem sich dann Planeten bilden könnten“, erklärt Hacar.

ALMA besteht aus 66 parabolischen Antennen, die wie ein einziges Teleskop funktionieren. Das Kombinieren und die Kalibrierung der Daten hätte bei einem so großen Datensatz nach dem Standardverfahren Monate gedauert. Daher entwickelte das Team auch ein neues Verfahren zur Datenreduktion, das auf parallelem Rechnen beruht und die Verarbeitungsgeschwindigkeit um den Faktor 900 steigerte. Die Berechnung und Aufbereitung der Daten für die Analyse – für die immerhin 3.000 CPU-Stunden zu leisten waren – konnte so in nur einem Tag bewältigt werden.

Hinweise auf verblüffend ähnliche Planetensysteme
Die Ergebnisse aus der Orion A-Wolke wurden von den Astronom*innen auch mit mehreren anderen Sternenentstehungsgebieten verglichen – und bis auf zwei fanden sich auch dort die starken Zusammenhänge zwischen Scheibenmasse und Alter. Die Studie zeige somit, dass „zumindest innerhalb der nächsten etwa 1.000 Lichtjahre alle Gruppierungen von planetenbildenden Scheiben die gleiche Masseverteilung bei einem bestimmten Alter aufweisen“, so Hauptautor van Terwisga. Das Ergebnis könnte sogar ein Hinweis auf die Entstehung von verblüffend ähnlichen Planetensystemen sein.

In einem nächsten Schritt will das Team mögliche Einflüsse von nahen Sternen im Abstand von einigen Lichtjahren untersuchen. „Die beispiellose Größe unseres Samples öffnet ein neues Fenster zur Untersuchung der Entstehung und Entwicklung ganzer Scheibenpopulationen auf Wolkenskalen“, betont Hacar von der Universität Wien.

Originalpublikation:
S.E. van Terwisga et al., „Survey of Orion Disks with ALMA (SODA). I: Cloud-level demographics of 873 protoplanetary disks“, Astronomy & Astrophysics (2022). DOI: arxiv.org/abs/2202.11057
arXiv: https://arxiv.org/abs/2202.11057
pdf: https://arxiv.org/pdf/2202.11057

Zusätzliche Information
Das Team besteht aus S.E. van Terwisga (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Deutschland), A. Hacar (Institut für Astrophysik, Universität Wien, Österreich), E.F. van Dishoeck (Leidener Observatorium, Universität Leiden, Niederlande [LObs]; Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching bei München, Deutschland), R. Oonk (SURF, Leiden, Niederlande; LObs; Niederländisches Institut für Radioastronomie (ASTRON), Dwingeloo, Niederlande), und S. Portegies Zwart (LObs).

Das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) ist eine Partnerschaft zwischen der Europäischen Südsternwarte (ESO), der U.S. National Science Foundation (NSF) und den National Institutes of Natural Sciences (NINS) von Japan in Zusammenarbeit mit der Republik Chile. ALMA wird von der ESO im Namen ihrer Mitgliedstaaten, von der NSF in Zusammenarbeit mit dem National Research Council of Canada (NRC) und dem National Science Council of Taiwan (NSC) und vom NINS in Zusammenarbeit mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan und dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI) finanziert.

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• Planetenentstehung

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