Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 24. August 2023.

24. August 2023 – Kleinste Plasmaströme auf der Sonne, die mit Geschwindigkeiten von einigen hundert Kilometern pro Stunde von der Sonnenkorona ins All rasen, könnten der lang gesuchte Antrieb des Sonnenwindes sein. Wie ein Forscherteam unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen heute in der Fachzeitschrift Science berichtet, findet sich in hochaufgelösten Aufnahmen eines koronalen Lochs, die der ESA-Raumsonde Solar Orbiter im März vergangenen Jahres gelungen sind, eine Vielzahl solcher Mini-Ströme. Koronale Löcher zeigen sich als dunkle Bereiche in Aufnahmen der Korona und gelten als Ausgangsort des Sonnenwindes. Wie die Auswertungen jetzt zeigen, sind die Plasmaströme zwar ein ständig wiederkehrendes und häufiges Phänomen, jeder einzelne reißt jedoch nach kurzer Zeit ab. Dies legt den Schluss nahe, dass der Sonnenwind bei näherer Betrachtung nicht als gleichmäßiger Teilchenstrom ausgestoßen wird, sondern zu Beginn und auf kleinen Skalen unregelmäßig fluktuiert.

Die Sonne sendet nicht nur Strahlung ins All, sondern auch einen Strom geladener Teilchen wie etwa Protonen und Elektronen. Dieser Sonnenwind fällt je nach Aktivität der Sonne mal stärker und mal schwächer aus, kommt jedoch nie vollständig zum Erliegen. Die schnellsten Teilchen des Sonnenwindes erreichen Überschallgeschwindigkeiten von mehr als 500 Kilometern pro Sekunde. Ihre Quellregionen sind koronale Löcher vorzugsweise in der Nähe der Sonnenpole. Auf Aufnahmen der Sonnenkorona im ultravioletten Licht zeigen sich diese „Löcher“ als dunkle Bereiche. Dort weisen die Feldlinien des Sonnenmagnetfeldes nicht bogenförmig zurück zur Sonne, sondern ragen in den interplanetaren Raum. Die Aufnahmen der Raumsonde Solar Orbiter, die das Forscherteam nun ausgewertet hat, zeigen ein solches koronales Loch in bisher unerreichter Detailschärfe und mit schneller Bildabfolge.

Zum Zeitpunkt der Aufnahmen am 30. März 2022 hatte Solar Orbiter den sonnennächsten Punkt seiner stark elliptischen Umlaufbahn um die Sonne erreicht. Aus einem Abstand von nur etwa 50 Millionen Kilometern blickte die Sonde aus geringerem Abstand auf die Sonnenkorona, als jeder ihrer Vorgänger. Etwa eine halbe Stunde lang konnte das Instrument Extreme-Ultraviolet Imager (EUI), zu dessen Bau und Entwicklung auch wissenschaftlich-technische Teams des MPS beigetragen haben, seinen Blick auf ein koronales Loch in der Nähe des Südpols richten.

„Wie genau es der Sonne gelingt, den Sonnenwind mit hohen Geschwindigkeiten ins All zu beschleunigen, war bisher unklar. Die einzigartigen Aufnahmen von Solar Orbiter bieten uns die Möglichkeit, genauer als je zuvor auf die Quellregionen des Sonnenwindes zu schauen und so diesen Prozess besser als zuvor zu verstehen“, erklärt MPS-Wissenschaftler Dr. Lakshmi Pradeep Chitta, Erstautor der neuen Studie.

Kleine Ausbrüche mit großer Wirkung
In den Aufnahmen findet sich eine Vielzahl kleinster Ströme, die sich mit Geschwindigkeiten von einigen hundert Kilometern pro Sekunde von der Sonne fortbewegen. Sie sind etwa 100 Kilometer breit, von langgezogener oder Y-förmiger Gestalt und recht kurzlebig: nach etwa 20 bis 100 Sekunden verblassen sie. Auch die Energie, die jeder einzelne Strom transportiert, ist verhältnismäßig klein: etwa der billionste Teil der Energie, welche die größten Explosionen im Sonnensystem, Strahlungsausbrüche der Sonne der Kategorie X, freisetzen. Deshalb sprechen die Forscherinnen und Forscher von Piko-Flare-Strömen. Für irdische Verhältnisse ist diese Energiemenge dennoch gewaltig: Sie entspricht etwa der Energiemenge, die 10.000 Haushalte in Deutschland im Laufe eines Jahres verbrauchen.

In der Summe dürften die Mini-Ströme dennoch einen Großteil der Energie bereitstellen, die erforderlich ist, die Sonnenwindteilchen auf ihre Überschallreise durchs All zu schicken. „Die Ströme, die wir nun entdeckt haben, sind zwar klein und treten nur sporadisch auf“, so Chitta, „sie sind aber offenbar ein häufiges Phänomen und in dem betrachteten koronalen Loch geradezu allgegenwärtig.“ Auslöser der Piko-Flare-Ströme könnten lokale Umstrukturierungen des Sonnenmagnetfeldes sein. Von größeren, ähnlich geformten Strömen ist bekannt, dass sie dort entstehen, wo sich offene und geschlossene Feldlinien des Sonnenmagnetfeldes treffen, neu anordnen und dabei Energie freisetzen.

Teilchenstrom mit Feinstruktur
In bisherigen Vorstellungen ist der Sonnenwind ein über große Zeiträume betrachtet zwar an- und abschwellender, ansonsten aber homogener Teilchenstrom. Diese Sicht scheint nicht länger haltbar zu sein. Wie Solar Orbiters zeitlich und räumlich hochaufgelöste Messungen zeigen, nimmt der Sonnenwind seinen Ursprung offenbar in Gestalt vieler winziger Ströme – ähnlich wie die meisten Flüsse sich aus einer Vielzahl kleiner Bäche und Nebenarme speisen.

„Je genauer wir mit Solar Orbiter in die Korona der Sonne schauen, desto mehr finden wir, welch entscheidende Rolle kleinste Strukturen und Prozesse für das Verständnis unseres Sterns spielen“, so Koautor Prof. Dr. Hardi Peter vom MPS. Die Forschenden halten es für möglich, dass sogar noch kleinere Ströme oder schwächere Strahlungsausbrüche, die auch dem Sonnenspäher der ESA verborgen bleiben, am Werk sind. Die Forscherinnen und Forscher hoffen nun, im weiteren Verlauf der Mission mehr über die Piko-Flare-Ströme zu lernen. In den kommenden Jahren wird Solar Orbiter, die Ebene, in der die Planeten um die Sonne kreisen, mehr und mehr verlassen und so eine immer bessere Sicht auf ihre Polregionen – und die dortigen koronalen Löcher – genießen.

Originalveröffentlichung
L.P. Chitta et al.: Picoflare jets power the solar wind emerging from a coronal hole on the Sun, Science, 24. August 2023,
dx.doi.org/10.1126/science.ade5801, https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade5801.

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 12. September 2022.

12. September 2022 – Während des bisher engsten Vorbeiflugs der ESA-Raumsonde Solar Orbiter an der Sonne im Frühjahr dieses Jahres wurde der Koronograph Metis Zeuge eines kuriosen Schauspiels in der Korona: einer S-förmigen, einige hunderttausend Kilometer großen Plasmastruktur, die sich mit hoher Geschwindigkeit von der Sonne wegbewegt. Eine Forschergruppe, zu denen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen zählen, halten dies für die Aufnahme eines so genannten „Switchbacks“. Das Phänomen ist seit Jahrzehnten aus Sonnenwindmessungen bekannt, wo es sich als kurzzeitige Umkehr des Magnetfeldes zeigt. Die Messdaten von Solar Orbiter und neue Modellrechnungen ermöglichen es nun erstmals, dem Ursprung des Phänomens bis hinunter in die untere Korona nachzuspüren. Wie das Team heute in der Fachzeitschrift „The Astrophysical Journal Letters“ berichtet, lösen dort Umstrukturierungen im solaren Magnetfeld die Switchbacks aus.

Das Magnetfeld der Sonne macht sich nicht nur in ihrer unmittelbaren Umgebung bemerkbar. Der Sonnenwind, der stetige Strom geladener Teilchen von der Sonne, trägt es weit in den Weltraum hinaus und erzeugt so die Heliosphäre, den magnetischen Einflussbereich der Sonne. Plötzliche, lokal auftretende Umkehrungen des Magnetfeldes sind dabei offenbar keine Seltenheit. In großer Nähe zur Sonne ist das Phänomen der NASA-Raumsonde Parker Solar Probe in den vergangenen Jahren häufig begegnet. Auch die deutsch-amerikanischen Zwillingssonden Helios I und II sowie die NASA-Sonde Ulysses fingen in den 70er und 90er Jahren in deutlich größerem Abstand zur Sonne vereinzelt entsprechende Messdaten ein. Die so gennannten Switchbacks dauern höchstens einige Stunden an, haben eine S-förmige Gestalt und gehen oftmals mit Beschleunigungen des Sonnenwindes einher. Ihr Ursprung blieb jedoch bisher weitestgehend unklar.

Die neuen Messungen von Solar Orbiter, die heute veröffentlicht werden, bringen neue Erkenntnisse – auch weil sich die Beobachtungen der ESA-Sonde fundamental von denen ihrer sonnenforschenden Vorgänger unterscheiden. Bei den bisherigen Begegnungen mit Switchbacks handelte es sich um in situ-Messungen: Die Raumsonden durchflogen den Sonnenwind und zeichneten die Stärke und Richtung des Magnetfeldes am eigenen Standort auf. Solar Orbiter hingegen ist auch mit Teleskopen und Kameras ausgerüstet und kann so das Phänomen in seiner Gesamtheit abbilden.

Langgestreckte, gebogene Plasmastruktur
Dies gelang dem Solar Orbiter-Koronograph Metis am 25. März dieses Jahres, einen Tag bevor die Raumsonde ihren bisher sonnennächsten Punkt erreichte. Weniger als 48 Millionen Kilometer trennten Solar Orbiter zu diesem Zeitpunkt von der Sonne. Der Koronograph deckt die helle Sonnenscheibe sowie die innere Atmosphäre der Sonne ab und macht so Vorgänge in der deutlich lichtschwächeren äußeren Atmosphäre sichtbar. Am MPS wurden die Kameras des Instrumentes entwickelt und gebaut.

In den jetzt veröffentlichten Aufnahmen ist eine langestreckte, S-förmig gebogene Plasmastruktur zu erkennen, die zunächst in einer Höhe von 2,6 Sonnenradien oberhalb der Sonnenoberfläche auftritt. Mit einer Geschwindigkeit von mindestens 290.000 Kilometern pro Stunde bewegt sie sich radial von der Sonne weg, wobei sich ein kleiner Teil der Struktur in entgegengesetzter Richtung auszubreiten scheint.

„Die große Stärke von Solar Orbiter ist, dass die Raumsonde mit Instrumenten ausgerüstet ist, die gleichzeitig in unterschiedliche Schichten der Sonne schauen können“, erklärt Dr. Luca Teriaca vom MPS, Co-Principal Investigator von Metis und Ko-Autor der aktuellen Studie. „So konnten wir den Switchback erstmals bis zu seinem Ursprung verfolgen“, fügt er hinzu. Denn auch der Extreme Ultraviolet-Imager (EUI) von Solar Orbiter war am 25. März eingeschaltet. Das Instrument, zu dem das MPS eines von drei Teleskopen beigesteuert hat, fängt die extrem kurzwellige ultraviolette Strahlung aus der inneren Korona ein. Sein Sichtfeld liegt somit deutlich näher an der Oberfläche der Sonne als das von Metis.

Die EUI-Aufnahmen vom 25. März zeigen unterhalb des Switchbacks ein wahres Feuerwerk heller Plasmabögen, die sich von der Sonnenoberfläche bis in die innere Korona erstrecken. Wie auch hier treten solche koronalen Bögen häufig in Zusammenhang mit aktiven Regionen, Gebieten starker Magnetfeldstärke an der Oberfläche der Sonne, auf. Das Plasma strömt dort entlang der gebogenen, geschlossenen Feldlinien des Sonnenmagnetfeldes.

Umbauarbeiten im Magnetfeld
Um zu verstehen, wie die Beobachtungen von EUI und Metis zusammenpassen, hat das Team umfangreiche magnetohydrodynamische Modellrechnungen durchgeführt. Auf diese Weise konnten die Forscherinnen und Forscher sowohl die Architektur des solaren Magnetfeldes zum Zeitpunkt des Switchbacks berechnen, als auch die Entwicklung und Ausbreitung der kuriosen Struktur selbst nachvollziehen.

„Die Berechnungen deuten darauf hin, dass sich Switchbacks dort bilden, wo sich das Magnetfeld oberhalb einer aktiven Region neu formiert“, so MPS-Wissenschaftlerin und Ko-Autorin Dr. Regina Aznar Cuadrado. In direkter Nachbarschaft zu den geschlossenen Magnetfeldlinien fand das Team offene Feldlinien, die weit ins All reichen. Dort, wo beide Arten von Magnetfeldlinien interagieren, strukturiert sich das Magnetfeld um; die freiwerdende Energie wird in Form einer S-förmigen Störung im Plasma freigesetzt.

„Switchbacks gehen oftmals mit einem lokalen Anstieg der Sonnenwindgeschwindigkeit einher“, ordnet MPS-Wissenschaftler und Ko-Autor Prof. Dr. Hardi Peter die neuen Ergebnisse ein. „Die aktuelle Studie kann deshalb möglicherweise helfen zu verstehen, wie der Sonnenwind ins All beschleunigt wird“, fügt er hinzu.

Von der Korona bis in die Heliosphäre
Das Team hofft nun darauf, das Solar Orbiter in den kommenden Monaten Zeuge weiterer Switchbacks wird. Im Idealfall breitet sich die Plasmastörung dann in Richtung der Raumsonde aus und erreicht sie schließlich. Auf diese Weise könnten nicht nur Solar Orbiter’s Teleskope, sondern auch die in situ-Instrumente Messdaten einfangen – und das Phänomen erstmals von seinem Entstehungsort bis in die Heliosphäre nachverfolgen.

Originalveröffentlichung
Daniele Telloni et al.: Observation of magnetic Switchback in the Solar Corona, The Astrophysical Journal Letters, Vol. 936, Nr. 2, dx.doi.org/10.3847/2041-8213/ac8104,
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac8104,
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac8104/pdf.

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Quelle: ESA 18. Mai 2022.

18. Mai 2022 – Obwohl die Analyse des neuen Datensatzes gerade erst begonnen hat, ist bereits jetzt klar, dass die von der ESA geleitete Mission die außergewöhnlichsten Einblicke in das magnetische Verhalten der Sonne liefert und auf die Art und Weise, wie die Sonne das Weltraumwetter beeinflusst.

Die größte Annäherung von Solar Orbiter an die Sonne, das sogenannte Perihel, fand am 26. März 2022 statt. Die Sonde befand sich innerhalb der Umlaufbahn des Merkurs, etwa ein Drittel so weit von der Sonne entfernt wie die Erde, und ihr Hitzeschild erreichte etwa 500 °C. Diese Hitze wurde jedoch mit einer innovativen Technologie abgeleitet, um die Sicherheit und den Betrieb des Raumfahrzeugs zu gewährleisten.

Solar Orbiter ist mit zehn wissenschaftlichen Instrumenten ausgestattet, von denen neun von den ESA-Mitgliedstaaten und eines von der NASA geleitet werden. Bei einigen handelt es sich um Fernerkundungsinstrumente, wie Kameras, die die Sonne beobachten, während andere Instrumente die Bedingungen in der Umgebung der Raumsonde überwachen und es den Wissenschaftlern ermöglichen, den Zusammenhang zwischen dem, was sie auf der Sonne sehen, und dem, was Solar Orbiter an seinem Standort im Sonnenwind in Millionen von Kilometern Entfernung „fühlt“, herzustellen.

Je näher die Raumsonde der Sonne kommt, desto feinere Details können die Fernerkundungsinstrumente erkennen. Und wie es der Zufall will, hat die Sonde mehrere Sonneneruptionen und sogar einen auf die Erde gerichteten koronalen Massenauswurf aufgenommen und damit einen Vorgeschmack auf die Weltraumwettervorhersage in Echtzeit gegeben – ein Unterfangen, das angesichts der Bedrohung, die das Weltraumwetter für Technologie und Astronauten darstellt, immer wichtiger wird.

Der Solare Igel stellt sich vor
„Die Bilder sind wirklich atemberaubend”, sagt David Berghmans vom Königlichen Observatorium von Belgien und leitender Forscher des EUI-Instruments (Extreme Ultraviolet Imager), das hochauflösende Bilder der unteren Schichten der Sonnenatmosphäre, der sogenannten Sonnenkorona, aufnimmt. In dieser Region findet der Großteil der Sonnenaktivität statt, die das Weltraumwetter bestimmt.

Die Aufgabe des EUI-Teams besteht nun darin, zu verstehen, was sie sehen. Dies ist keine leichte Aufgabe, da Solar Orbiter so viel Aktivität auf der Sonne im kleinen Maßstab aufdeckt. Wenn die Wissenschaftler*innen ein Merkmal oder ein Ereignis entdeckt haben, das sie nicht auf Anhieb erkennen können, müssen sie frühere Sonnenbeobachtungen anderer Weltraummissionen durchforsten, um herauszufinden, ob etwas Ähnliches schon einmal gesehen wurde.

„Selbst wenn Solar Obiter morgen aufhören würde, Daten zu erfassen, wäre ich noch jahrelang damit beschäftigt, all diese Dinge herauszufinden”, sagt David Berghmans.

Ein besonders auffälliges Merkmal wurde während dieses Periheliums beobachtet. Bis jetzt hat er den Spitznamen „Hedgehog (Igel)“ erhalten. Er erstreckt sich 25.000 Kilometer quer über die Sonne und hat eine Vielzahl von Spitzen aus heißem und kälterem Gas, die sich in alle Richtungen erstrecken.

Die Punkte verbinden
Das wichtigste wissenschaftliche Ziel von Solar Orbiter ist die Erforschung der Verbindung zwischen der Sonne und der Heliosphäre. Die Heliosphäre ist die große „Blase” des Weltraums, die sich über die Planeten unseres Sonnensystems hinaus erstreckt. Sie ist mit elektrisch geladenen Teilchen gefüllt, von denen die meisten von der Sonne ausgestoßen wurden und den Sonnenwind bilden. Es sind die Bewegungen dieser Teilchen und die damit verbundenen solaren Magnetfelder, die das Weltraumwetter erzeugen.

Um die Auswirkungen der Sonne auf die Heliosphäre zu erfassen, müssen die Ergebnisse der In-situ-Instrumente, die die Partikel und Magnetfelder aufzeichnen, die über die Raumsonde hinwegfliegen, zu den Ereignissen auf oder nahe der sichtbaren Oberfläche der Sonne zurückverfolgt werden, die von den Fernerkundungsinstrumenten erfasst werden.

Dies ist keine leichte Aufgabe, da die magnetische Umgebung der Sonne sehr komplex ist, aber je näher die Raumsonde an die Sonne herankommt, desto weniger kompliziert ist es, die Teilchenereignisse entlang der „Autobahnen” der Magnetfeldlinien zur Sonne zurückzuverfolgen. Das erste Perihel war ein wichtiger Test dafür, und die bisherigen Ergebnisse sehen sehr vielversprechend aus.

Am 21. März 2022, einige Tage vor dem Perihel, fegte eine Wolke energetischer Teilchen über die Raumsonde hinweg. Es wurde mit dem Energetic Particle Detector (EPD, Energetischer Partikeldetektor) nachgewiesen. Es ist bezeichnend, dass die energiereichsten von ihnen zuerst ankamen, gefolgt von denen mit immer niedrigeren Energien.

„Das deutet darauf hin, dass die Partikel nicht in der Nähe der Raumsonde erzeugt werden”, sagt Javier Rodríguez-Pacheco von der Universität Alcalá, Spanien, und Leiter des EPD. Stattdessen wurden sie in der Sonnenatmosphäre, näher an der Sonnenoberfläche, erzeugt. Bei der Durchquerung des Raums zogen die schnelleren Teilchen den Langsameren voraus, wie Läufer bei einem Sprint.

Am selben Tag sah das Radio and Plasma Waves (RPW)-Experiment sie kommen, indem es die starke charakteristische Schwingung von Radiofrequenzen auffing, die erzeugt wird, wenn beschleunigte Teilchen – meist Elektronen – entlang der Magnetfeldlinien der Sonne nach außen wandern. RPW entdeckte dann Schwingungen, die als Langmuir-Wellen bekannt sind. „Sie sind ein Zeichen dafür, dass die energiereichen Elektronen bei der Raumsonde angekommen sind”, sagt Milan Maksimovic, LESIA, Observatoire de Paris, Frankreich und RPW PI.

Von den Fernerkundungsinstrumenten sahen sowohl EUI als auch das Röntgenspektrometer/Teleskop (STIX) Ereignisse auf der Sonne, die für die Freisetzung der Teilchen verantwortlich gewesen sein könnten. Während die Teilchen, die nach außen in den Weltraum strömen, diejenigen sind, die EPD und RPW entdeckt haben, ist es wichtig, daran zu denken, dass andere Teilchen von dem Ereignis nach unten wandern und auf die unteren Schichten der Sonnenatmosphäre treffen können. Hier kommt STIX ins Spiel.

Während das EUI-Instrument das ultraviolette Licht sieht, das am Ort des Flares in der Sonnenatmosphäre freigesetzt wird, sieht STIX die Röntgenstrahlung, die entsteht, wenn die durch den Flare beschleunigten Elektronen mit den Atomkernen in den unteren Schichten der Sonnenatmosphäre wechselwirken.

Wie genau diese Beobachtungen zusammenhängen, müssen die Teams nun untersuchen. Die Zusammensetzung der vom EPD entdeckten Teilchen deutet darauf hin, dass sie wahrscheinlich eher durch einen koronalen Schock als durch eine impulsive Eruption beschleunigt wurden.

„Es könnte sein, dass sie mehrere Beschleunigungsstellen haben”, sagt Samuel Krucker, FHNW, Schweiz, und leitender Wissenschaftler für STIX.

Hinzu kommt, dass das Magnetometer-Instrument (MAG) zu diesem Zeitpunkt keine nennenswerten Werte anzeigte. Dies ist jedoch nicht ungewöhnlich. Die anfängliche Eruption von Teilchen, die als koronaler Massenauswurf (CME) bekannt ist, trägt ein starkes Magnetfeld, das MAG leicht registrieren kann, aber energetische Teilchen aus dem Ereignis reisen viel schneller als der CME und können schnell große Volumina des Raums füllen und daher von Solar Orbiter entdeckt werden. „Aber wenn der CME die Raumsonde verfehlt, wird MAG keine Signatur sehen”, sagt Tim Horbury, Imperial College, UK, und MAG PI.

Was das Magnetfeld betrifft, so beginnt alles an der sichtbaren Oberfläche der Sonne, der so genannten Photosphäre. An dieser Stelle bricht das intern erzeugte Magnetfeld in den Raum aus. Um zu wissen, wie das aussieht, trägt Solar Orbiter das Instrument Polarimetric and Helioseismic Imager (PHI). So kann man die magnetische Nord- und Südpolarität der Photosphäre sowie die Wellen auf der Sonnenoberfläche erkennen, die von seismischen Wellen verursacht werden, die sich durch das Innere der Sonne bewegen.

„Wir liefern die Magnetfeldmessungen an der Oberfläche der Sonne. Dieses Feld dehnt sich dann aus, geht in die Korona über und treibt im Grunde all das Funkeln und die Aktivitäten an, die man dort oben sieht”, sagt Sami Solanki vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen, Deutschland, und der PI des PHI.

Ein weiteres Instrument, das Spectral Imaging of the Coronal Environment (SPICE), zeichnet die Zusammensetzung der Korona auf. Diese „Häufigkeitskarten” können mit den Inhalten des Sonnenwindes verglichen werden, die das Instrument Solar Wind Analyser (SWA) ermittelt.

„Damit können wir die Entwicklung der Zusammensetzung des Sonnenwindes von der Sonne bis zur Raumsonde verfolgen, was uns Aufschluss über die Mechanismen gibt, die für die Beschleunigung des Sonnenwindes verantwortlich sind”, sagt Frédéric Auchère, Leiter von SPICE, Institut d’Astrophysique Spatiale, Frankreich.

Vorhersage des Weltraumwetters
Durch die Kombination der Daten aller Instrumente wird das Wissenschaftsteam in der Lage sein, die Geschichte der Sonnenaktivität von der Oberfläche der Sonne bis hin zum Solar Orbiter und darüber hinaus zu erzählen. Und genau dieses Wissen wird den Weg für ein zukünftiges System ebnen, das die Weltraumwetterbedingungen auf der Erde in Echtzeit vorhersagen kann. Im Vorfeld des Perihels bekam Solar Orbiter sogar einen Vorgeschmack darauf, wie ein solches System funktionieren könnte.

Das Raumschiff flog stromaufwärts zur Erde. Diese einzigartige Perspektive bedeutete, dass sie die Bedingungen des Sonnenwindes beobachtete, der einige Stunden später auf die Erde treffen würde. Da die Sonde in direktem Kontakt mit der Erde stand und ihre Signale mit Lichtgeschwindigkeit übertragen wurden, trafen die Daten innerhalb weniger Minuten auf dem Boden ein und konnten analysiert werden. Wie es der Zufall wollte, wurden zu dieser Zeit mehrere CMEs entdeckt, von denen einige direkt auf die Erde zuflogen.

Am 10. März 2022 fegte ein CME über die Raumsonde hinweg. Anhand der Daten von MAG konnte das Team vorhersagen, wann er die Erde treffen würde. Die Ankündigung dieser Nachricht in den sozialen Medien ermöglichte es den Himmelsbeobachtern, sich auf das Polarlicht vorzubereiten, das etwa 18 Stunden später zur vorhergesagten Zeit eintraf.

Diese Erfahrung gab Solar Orbiter einen Vorgeschmack darauf, wie es ist, das Weltraumwetter auf der Erde in Echtzeit vorherzusagen. Ein solches Vorhaben wird immer wichtiger, da das Weltraumwetter eine Gefahr für die Technologie, Astronautinnen und Astronauten darstellt.

Die ESA plant derzeit eine Mission mit dem Namen ESA Vigil, die auf einer Seite der Sonne stationiert sein wird und den Bereich des Weltraums bis zur Erde beobachten soll. Ihre Aufgabe wird es sein, CMEs abzubilden, die durch diese Region reisen, insbesondere solche, die auf unseren Planeten zusteuern. Während des Periheliums wurde Solar Orbiter so positioniert, dass seine Instrumente Metis und SoloHI genau diese Art von Bildern und Daten liefern konnten.

Metis nimmt Bilder der Korona von 1,7–3 Sonnenradien auf. Indem er die helle Sonnenscheibe ausblendet, sieht er die schwächere Korona. „Es liefert dieselben Details wie die bodengestützte Beobachtung einer totalen Sonnenfinsternis, aber anstelle von ein paar Minuten kann Metis kontinuierlich beobachten”, sagt Marco Romoli von der Universität Florenz, Italien, und PI für Metis.

SoloHI zeichnet Bilder des Sonnenlichts auf, das von den Elektronen im Sonnenwind gestreut wird. Eine bestimmte Eruption am 31. März schaffte es in die X-Klasse, die energiereichsten bekannten Sonneneruptionen. Die Daten sind noch nicht ausgewertet worden, da ein Großteil der Daten noch auf der Sonde verbleibt und heruntergeladen werden muss. Jetzt, da Solar Orbiter weiter von der Erde entfernt ist, hat sich die Datenübertragungsrate verlangsamt, und die Forscher müssen sich gedulden – aber sie sind mehr als bereit, mit ihrer Analyse zu beginnen, wenn die Daten ankommen.

„Wir sind immer an den großen Ereignissen interessiert, weil sie die stärksten Reaktionen und die interessanteste Physik hervorrufen, weil man die Extreme betrachtet”, sagt Robin Colaninno, U.S. Naval Research Laboratory, Washington DC, und SoloHI PI.

In Kürze
Es besteht kein Zweifel daran, dass die Instrumententeams nun eine Menge Arbeit vor sich haben. Das Perihel war ein großer Erfolg und hat eine große Menge an außergewöhnlichen Daten hervorgebracht. Und das ist nur ein Vorgeschmack auf das, was noch kommen wird. Schon jetzt rast die Sonde durch den Weltraum, um sich für ihren nächsten – etwas näheren – Perihelvorbeiflug am 13. Oktober 2022 in der 0,29-fachen Entfernung Erde-Sonne aufzustellen. Davor, am 4. September 2022, wird er seinen dritten Vorbeiflug an der Venus machen.

Solar Orbiter hat bereits die ersten Bilder von den weitgehend unerforschten Polarregionen der Sonne aufgenommen, aber es wird noch viel mehr kommen.

Am 18. Februar 2025 wird Solar Orbiter zum vierten Mal der Venus begegnen. Dadurch erhöht sich die Neigung der Umlaufbahn der Sonde auf etwa 17 Grad. Mit dem fünften Venusvorbeiflug am 24. Dezember 2026 wird sich dieser Winkel noch weiter auf 24 Grad erhöhen, was den Beginn der „High-Latitude“-Mission markieren wird.

In dieser Phase wird Solar Orbiter die Polarregionen der Sonne so direkt wie nie zuvor sehen. Solche Sichtlinienbeobachtungen sind der Schlüssel zur Entschlüsselung der komplexen magnetischen Umgebung an den Polen, die wiederum das Geheimnis des 11-Jahres-Zyklus der zunehmenden und abnehmenden Aktivität der Sonne bergen könnte.

„Wir sind von der Qualität der Daten unseres ersten Perihels begeistert”, sagt Daniel Müller, ESA-Projektwissenschaftler für Solar Orbiter, „Es ist kaum zu glauben, dass dies erst der Anfang der Mission ist. Wir werden in der Tat sehr beschäftigt sein.“

Über Solar Orbiter
Solar Orbiter ist eine Weltraummission in internationaler Zusammenarbeit zwischen ESA und NASA.

Frühere Perihelien fanden am 15. Juni 2020 (0,52 AE), 10. Februar 2021 (0,49 AE) und 12. September 2021 (0,59 AE) statt. Das Perihel vom 26. März 2022 bei 0,32 AE gilt als das erste einer Reihe von nahen Perihelien. Der nächste, am 13. Oktober 2022, wird bei 0,29 AE liegen. Es gibt 2–3 Perihelien pro Jahr.

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.

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

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

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

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

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

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

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

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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Quelle: ESA.

25. November 2021 – Am 27. November 2021 wird Solar Orbiter nach einem Jahr und acht Monaten Reise durch das innere Sonnensystem an ihrem Heimatplaneten vorbeifliegen, auch um überschüssige Energie abzubauen. Damit ist die Sonde für die nächsten sechs Vorbeiflüge an der Venus gerüstet. Diese letzten schwerkraftunterstützten Manöver werden die Umlaufbahn der Solar Orbiter verfeinern und ausrichten, damit die hitzegeschützte Sonde zum ersten Mal direkte Bilder von den Polen unserer Sonne aufnehmen kann, und vieles mehr.

Während des bevorstehenden Vorbeiflugs wird Solar Orbiter bei ihrer nächsten Annäherung schätzungsweise nur 460 km von der Erdoberfläche entfernt sein – etwa 30 km über der Bahn der Internationalen Raumstation. Sie wird zweimal durch den geostationären Ring in 36 000 Kilometern Entfernung von der Erdoberfläche und schließlich durch die erdnahe Umlaufbahn in weniger als 2000 Kilometern Höhe fliegen – zwei Zonen, die mit Weltraumschrott übersät sind.

Doch wie riskant ist das? Das hängt von vielen Faktoren ab.
Vorweg sei gesagt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass Solar Orbiter von Trümmern getroffen wird, extrem gering ist. Die Erdbeobachtungsmissionen der ESA geschehen stets in der erdnahen Umlaufbahn – der am stärksten mit Schrott übersäten Region des Weltraums. Während einige Male im Jahr sogenannte „Kollisionsvermeidungsmanöver” durchgeführt werden, wird die Raumsonde Solar Orbiter nur wenige Minuten in dieser Umlaufbahn bis zum nächstmöglichen Punkt verbleiben, ehe sie sich wieder in Richtung Venus auf den Weg macht.

So gering das Risiko auch sein mag, Kollisionen mit Trümmern in der Nähe der Erde kommen tatsächlich manchmal vor. Im Jahr 2016 wurde ein Solarpanel der ESA-Raumsonde Sentinel-1A von einem knapp fünf Millimeter großen Teilchen getroffen. Trotz seiner geringen Größe beschädigte es aufgrund seiner hohen Relativgeschwindigkeit einen Bereich von 40 cm Durchmesser, was zu einer geringfügigen Verringerung der Leistung an Bord und zu leichten Änderungen der Ausrichtung und der Umlaufbahn des Satelliten führte. Derzeit befinden sich Hunderte von Millionen Trümmerteilchen dieser Größe in der Umlaufbahn.

Hubble, das Weltraumteleskop der NASA/ESA, befindet sich seit 31 Jahren in der Erdumlaufbahn in rund 547 Kilometern Höhe. In dieser Zeit konnte hierüber beobachtet werden, wie sich der Himmel mit Satelliten und Trümmern füllte. Auch bekam es die Auswirkungen der Vermüllung direkt und unmittelbar zu spüren, da seine eigenen Sonnenkollektoren von kleinen Trümmerteilchen bombardiert und beschädigt wurden.

Auch wenn die Gefahr für Solar Orbiter bei ihrem bevorstehenden Vorbeiflug an der Erde gering ist, so ist sie doch nicht gleich Null. Dieses Risiko bestand weder beim Vorbeiflug an der Venus noch musste das ESA Space Debris Office, das Büro für Weltraumschrott, eine Kollisionsrisikoanalyse durchführen, als die gekoppelten BepiColombo-Raumsonden kürzlich am Merkur oder die Cassini-Huygens-Raumsonden am Jupiter vorbeiflogen.

Selbst bei früheren Erdvorbeiflügen, z. B. als die Cassini/Huygens-Sonden 1999 an der Erde vorbeiflogen, als die Rosetta im Jahr 2004 dreimal und die Juno-Sonde 2013 einmal zurückkehrte, gab es weniger Satelliten, weniger Trümmer und keinerlei „Megakonstellationen” in der Umlaufbahn. Ein Vorbeiflug an der Erde ist heute zwar immer noch recht sicher, aber riskanter als früher.

Die interplanetarische Kollisionsvermeidung
Etwa sieben bis zehn Tage vor dem Vorbeiflug wird das ESA-Büro für Weltraumschrott damit beginnen, Risikobewertungen auf Grundlage der Flugbahn der Solar Orbiter und der erwarteten Position katalogisierter Objekte in der Erdumlaufbahn durchzuführen. So lässt sich die Kollisionswahrscheinlichkeit für einige spezifische Annäherungen an die Erde ermitteln.

In diesen Fällen ist die Ungewissheit anfangs groß, verringert sich aber je nachdem, wie sich die Bahnen der Objekte verändern. Je näher der Zeitpunkt der Annäherung rückt, desto besser werden unsere Beobachtungsdaten und desto geringer werden auch die Unsicherheiten in Bezug auf die Position der betroffenen Objekte. Wie fast immer gilt: Je mehr wir über die Position zweier Objekte wissen, desto sicherer sind wir, dass sie sicher aneinander vorbeifliegen werden.

Allerdings steigt die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoßes mit der Zeit und je größer diese Annäherung ist. Bei jeder der Sentinel-Missionen in der Erdumlaufbahn wird etwa alle fünf bis sechs Monate ein Kollisionsvermeidungsmanöver durchgeführt, wenn der Abstand zu einem anderen Objekt als zu riskant erachtet wird.

In dem unwahrscheinlichen Fall, dass die Solar Orbiter ein Manöver durchführen muss, um einem möglichen Einschlag aus dem Weg zu gehen, würde die Entscheidung bereits am Donnerstag, den 25. November, getroffen, also zwei Tage vor der Annäherung. Sie würde am Freitag, dem 26. November, etwa sechs Stunden vor dem Einflug vorgenommen werden.

Noch Fragen?
Sobald Solar Orbiter die erdnahe Umlaufbahn verlässt und die geostationäre Umlaufbahn passiert, wird sie sich nicht mehr im Risikobereich befinden. Dies sollte etwa eine Stunde nach ihrer geringsten Abstandsposition zur Erde sein.

Sobald die Raumsonde nach Ausnutzung der Erdgravitationskraft davonfliegt und mit weniger eigenem Schub unterwegs ist, als sie angekommen ist, können die Teams aufatmen und sich auf andere Dinge als den Weltraumschrott konzentrieren. Für die Missionen jedoch, die sich noch in der Umlaufbahn befinden, und für die, die noch gestartet werden müssen, wird die Situation im Weltraum immer besorgniserregender.

Nach jahrzehntelangen Starts, bei denen wenig darüber nachgedacht wurde, was mit den Satelliten am Ende ihrer Lebensdauer geschehen soll, ist unsere Weltraumumgebung heute mit Weltraumschrott übersät. Während Solar Orbiter an uns vorbeifliegt und gerade mal kurz die Erdumlaufbahn passiert, erinnert sie uns daran, dass das Problem des Weltraumschrotts nur um die Erde herum besteht, dass wir es selbst verursacht haben und dass es unsere Aufgabe ist, es zu lösen.

Hier erfahren Sie, wie die ESA die Entstehung weiteren Schrotts verhindert und bereits vorhandenen Schrott beseitigt.

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

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Quelle: RUAG Space Austria.

25. November 2021 – Die europäisch-amerikanische Sonnensonde Solar Orbiter fliegt am Samstag, 27. November, an der Erde vorbei. Der Satellit nutzt Thermalisolation von RUAG Space Austria, Österreichs größtem Weltraumunternehmen. „Der Satellit wird der Sonne sehr nahekommen. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an den Hitzeschutz“, erklärt Andreas Buhl, Geschäftsführer von RUAG Space Austria. Ein spezieller Schutzschild auf der Sonnenseite schützt den Satelliten durch Abschattung vor dem größten Teil dieser enormen Hitzebelastung. Hinter diesem Schild übernimmt der Hitzeschutz von RUAG Space Austria die Kühlung der Sonde: „Der gesamte Satellit ist mit einer Thermalisolation aus Österreich umhüllt“, sagt Buhl.

RUAG Space Austria ist Österreichs größter Weltraumzulieferer
RUAG Space Austria mit Sitz in Wien-Meidling ist mit rund 230 Mitarbeitenden das größte österreichische Weltraumtechnikunternehmen. Das Hochtechnologieunternehmen rüstet weltweit Satelliten mit Elektronik, Mechanik und Thermalisolation aus und hat eine Exportquote von rund 100 Prozent.

RUAG Space: Europas führender Zulieferer für Raumfahrt
RUAG Space ist der führende Zulieferer für die Raumfahrt in Europa. Rund 1.300 Mitarbeitende in sechs Ländern entwickeln und produzieren Produkte für Satelliten und Trägerraketen – dadurch spielt RUAG Space eine zentrale Rolle sowohl im institutionellen ebenso wie im kommerziellen Raumfahrtmarkt. RUAG Space ist Teil des internationalen Technologieunternehmens RUAG International mit Sitz in der Schweiz.

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

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Quelle: DLR.

9. August 2021 – Für kosmische Verhältnisse kommt es in diesen Tagen im All beinahe zu einem Rendezvous: Gleich zwei Raumsonden passieren auf dem Weg zu ihren endgültigen Umlaufbahnen kurz nacheinander unseren Nachbarplaneten. Zunächst flog das europäisch-amerikanische Sonnenobservatorium Solar Orbiter am heutigen 9. August um 6.42 Uhr MESZ in knapp 8.000 Kilometern an der Venus vorbei. Einen Tag später, am Dienstag, dem 10. August um 15.48 Uhr MESZ, folgt die europäisch-japanische Merkurmission BepiColombo, die in nur 550 Kilometern Höhe quasi über die Oberfläche des Schwesterplaneten der Erde „schrammt“. Vor allem dieser Nahvorbeiflug ermöglicht einige so noch nie durchgeführte wissenschaftliche Untersuchungen der dichten Venusatmosphäre. Denn bereits während der Annäherung an die Venus wird das vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) entwickelte und betriebene Spektrometer MERTIS auf die Venus gerichtet sein und Messungen durchführen.

„Beim zweiten und letzten Vorbeiflug wird Bepi Colombo in ‚nur‘ 550 km Entfernung an der Venus vorbeifliegen; das ist deutlich näher an der Oberfläche als die LEO-Satelliten im Erdorbit,“ betont Anke Pagels-Kerp, Leiterin der Abteilung „Erforschung des Weltraums“ in der Raumfahrtagentur im DLR. „Da ein Großteil der Instrumente bereits in Betrieb sind, erwarten wir gerade von der Infrarotkamera MERTIS hervorragende Bilder der zum Teil heißen Schichten der Venusatmosphäre. In Hinblick auf die kürzlich ausgewählte Venus Mission EnVision, deren Start Anfang 2030er Jahre geplant ist, bekommen wir durch Bepi Colombo erste Daten, die uns bei der Konzeption und Umsetzung der Venusmission unterstützen.“

MERTIS (Mercury Radiometer and Thermal Infrared Spectrometer) ist ein abbildendes Infrarot-Spektrometer und Radiometer mit zwei unterschiedlichen Sensoren, die für Wellenlängen zwischen 7 und 14 Mikrometern beziehungsweise 7 und 40 Mikrometern empfindlich sind. MERTIS wurde für die globale Kartierung der mineralogischen Zusammensetzung und der Wärmeabstrahlung der atmosphärefreien Merkuroberfläche entwickelt, eignet sich aber auch ausgezeichnet für die Untersuchung der stofflichen Zusammensetzung und für Temperaturmessungen in der Atmosphäre der Venus.

16.000 hoch aufgelöste Spektren im thermischen Infrarot
„Für das MERTIS-Team ist das eine ganz hervorragende Möglichkeit, das Instrument vor seinem eigentlichen Einsatz am Merkur bei einer zusätzlichen, wissenschaftlich wichtigen Fragestellung einzusetzen. Außerdem können wir die Eichung und Funktionalität verfeinern“, freut sich Dr. Jörn Helbert vom DLR-Institut für Planetenforschung, der gemeinsam mit Prof. Harald Hiesinger vom Institut für Planetologie der WWU Münster für das MERTIS-Instrument verantwortlich ist. „Schon die beiden vorherigen Vorbeiflüge an Erde und Mond und zuletzt am 15. Oktober in größerer Entfernung an der Venus haben erstklassige Daten geliefert, die wir noch auswerten. Jetzt aber kommen wir der Venus ganz, ganz nahe. Dabei werden uns aus weniger als tausend Kilometer über der Oberfläche Spektrometer-Messungen in einer Auflösung gelingen, die so noch keine Raumsonde gemacht hat. Sie werden helfen, wichtige, ungeklärte Fragen zur Zusammensetzung und Dynamik der Venusatmosphäre zu beantworten“, gibt sich Hiesinger optimistisch. Gisbert Peter vom DLR-Institut für Optische Sensorsysteme ergänzt, dass „das Instrument nach fast drei Jahren im Orbit bisher sehr stabil arbeitet und beeindruckende Messungen liefert. Nun erwarten wir einzigartige Daten von der Venus mit sehr hochauflösenden optischen Eigenschaften.“

„Durch die geringere Entfernung zur Venus können wir ein anderes, noch besseres, viel detaillierteres Messprogramm mit MERTIS durchführen“, erklärt DLR-Forscher Dr. Alessandro Maturilli, der den Plan für die MERTIS-Beobachtungen vorbereitet hat. BepiColombo nähert sich der Venus von der Nachtseite und fliegt dann über die Tag-und-Nacht-Grenze, den Terminator, auf die von der Sonne angestrahlten Hemisphäre. „Das Instrument ist direkt auf die Atmosphäre gerichtet und wird vier Minuten vor der größten Annäherung angeschaltet und bis 23 Minuten nach dem Vorbeiflug messen. Wir werden 16.000 vollständige Spektren in hoher Auflösung erhalten.“ Kamera-Bilddaten in Wellenlängen des sichtbaren Lichts wird es nur von den Navigationskameras geben, nicht aber vom wissenschaftlichen Kamerasystem der Mission, da dessen Sicht durch den Magnetosphärenorbiter im Sondengespann blockiert ist.

Enge europäisch-japanische Zusammenarbeit
Die Gesamtleitung der Mission liegt bei der Europäischen Weltraumorganisation ESA, die auch für Entwicklung und Bau des Mercury Planetary Orbiter zuständig war. Der Mercury Magnetospheric Orbiter wurde von der japanischen Raumfahrtagentur JAXA beigesteuert. Koordiniert und überwiegend finanziert wird der deutsche Beitrag zu BepiColombo von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi). Wesentlich finanziert wurden die beiden Instrumente BELA und MERTIS, die zu großen Anteilen an den DLR-Instituten für Planetenforschung und Optische Sensorsysteme in Berlin-Adlershof entwickelt wurden, aus Mitteln des DLR für Forschung und Technologie. Das DLR-Institut für Optische Sensorsysteme entwickelte das einzigartige Instrumenten-Design. Finanziell gefördert wird die Mission außerdem von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster, der Technischen Universität Braunschweig und vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen. Der industrielle Teil der Sonde wurde von einem europäischen Industrie-Konsortium unter der Federführung der Firma Airbus Defence and Space realisiert.

Venus wieder im Fokus der Forschung
Von hohem wissenschaftlichen Wert für die Planetenforschung ist dieser bahntechnisch notwendige Nahvorbeiflug von BepiColombo ferner aus zwei ganz unterschiedlichen Gründen. Zum einen können die neuen Instrumente Messungen aus kurzer Distanz vornehmen. Sie sind moderner, vielseitiger und genauer als ihre Vorläufer auf Venus-Raumsonden, die vor fast 20 Jahren (ESA-Mission Venus Express und JAXA-Mission Akatsuki) beziehungsweise 40 Jahren (sowjetische Venera Missionen) entwickelt wurden. Die NASA mit DAVINCI+ und VERITAS und die Europäische Weltraumorganisation ESA mit EnVision haben erst vor wenigen Wochen drei neue Venusmissionen für die späten 2020er und frühen 2030er-Jahre beschlossen.

Zum Zweiten ist dieser Venusvorbeiflug auch für die Erforschung von extrasolaren Planeten von hohem Interesse. Denn neben der nur etwas größeren und massereicheren Erde gilt die Venus ein wenig als der „Exoplanet nebenan“. Im bald 5.000 Einträge umfassenden Katalog von entdeckten Exoplaneten – Planeten, die andere Sterne umkreisen – ist die Suche nach Planeten, die ähnliche Eigenschaften haben wie die Erde, eine der großen astronomischen Triebfedern. In letzter Konsequenz geht es um die Frage, ob sich auch auf Planeten an anderen Sternen mit vergleichbaren stofflichen Voraussetzungen und ähnlichen astronomischen Parametern wie bei der Erde Leben entwickeln kann.

Schwerkraft-Billard im inneren Sonnensystem
BepiColombo ist am 20. Oktober 2018 an Bord einer Ariane-5-Trägerrakete vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou gestartet. Das nun stattfindende sogenannte Gravity-Assist-Manöver an der Venus dient dazu, das Sondengespann weiterhin ohne den Einsatz von Treibstoff ein wenig abzubremsen, um die Bahnellipse der Raumsonde in Richtung einer Kreisbahn zu „stauchen“. Zuvor wurden ähnliche Manöver an der Erde und auch schon einmal an der Venus durchgeführt.

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• BepiColombo auf Ariane 5 ECA

Der Beitrag Blick in die Venus-Atmosphäre aus nächster Nähe erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.

2. August 2021 – Die Venus ist in den nächsten Tagen ein gefragtes Etappenziel: Auf ihrem Weg ins innere Sonnensystem statten gleich zwei Weltraummissionen unserem Nachbarplaneten einen kurzen Besuch ab. Am Montag, 9. August, nutzt die ESA-Sonde Solar Orbiter den Vorbeiflug, um auf eine neue Umlaufbahn um die Sonne einzuschwenken; nur einen Tag später fliegt BepiColombo ein ähnliches Manöver, bevor sich die Doppelsonde der europäischen und der japanischen Weltraumagenturen ESA und JAXA auf den letzten Teil ihrer Reise zum Merkur macht. Aus wissenschaftlicher Sicht passieren beide Missionen die Venus sozusagen im Halbschlaf: Während einige Instrumente zu ihrem eigenen Schutz ausgeschaltet sind, sammeln solche, die Teilchen und Magnetfelder in der Umgebung der Venus messen können, wertvolle Daten. Dazu gehören auch Instrumente, an denen das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen beteiligt ist.

Die ESA-Raumsonde Solar Orbiter erreicht die Venus als Erste. Knapp 8000 Kilometer werden den Sonnenspäher, der sich seit Februar 2020 unserem Zentralgestirn auf immer engeren Umlaufbahnen nähert, am Montag, 9. August, gegen 6.42 Uhr (MESZ) von dem Planeten trennen. Einen deutlich kleineren Abstand zur Venus gibt die Flugroute der europäisch-japanischen Doppelsonde BepiColombo vor: Am Dienstag, 10. August, gegen 15.58 Uhr (MESZ) wird er nur etwa 550 Kilometer betragen.

Für beide Missionen ist dies bereits die zweite Begegnung mit der Venus. Da einige ihrer Messinstrumente leistungsstärker sind als die früherer Venus-Besucher, bietet auch dieser Vorbeiflug die willkommene Möglichkeit, ganz genau hinzuschauen. Dass beide Sonden unseren Nachbarplaneten in enger zeitlicher Abfolge passieren, ist doppelt gut: So sind gleichzeitige Messungen an zwei verschiedenen Orten in der Umgebung der Venus möglich. Dies kann beispielsweise helfen zu verstehen, wie sich Teilchen und Magnetfelder dort ausbreiten.

Eintauchen in die Ionosphäre

Anders als die Erde und den Merkur umgibt die Venus kein starkes, stabiles Magnetfeld. Allerdings induziert der Sonnenwind, der fluktuierende Strom geladener Teilchen von der Sonne, elektrische Ströme in der Venus-Ionosphäre und erzeugt so ein schwaches, ebenso fluktuierendes Magnetfeld. Zudem verformt der Strom aus Sonnenteilchen die Hülle der Venus so, dass sie an der sonnenabgewandten Seite wie ein Schweif bisweilen viele Millionen Kilometer weit ins All ragt.

Diesen komplexen Vorgängen wollen Solar Orbiter und BepiColombo beim Vorbeiflug nachspüren. Dabei taucht die Merkur-Sonde sogar in die untere Ionosphäre ein; die Instrumente SERENA (Search for Exospheric Refilling and Emitted Natural Abundance), SIXS (Solar Intensity X-ray and particle Spectrometer), MPO-MAG (Mercury Planetary Orbiter Magnetometer) und MPPE (Mercury Plasma Particle Experiment) werden Messungen durchführen.

Die Teilchen und Magnetfelder in der Umgebung der inneren Planeten Merkur, Venus, Erde und Mars geben Hinweise darauf, warum sie sich seit ihrer Entstehung so unterschiedlich entwickelt haben. Während unsere Heimat eine wasserreiche Gashülle umgibt, wurde der Mars zu einem trockenen Wüstenplaneten, der nur Reste einer Atmosphäre aufweist. Und die Venus versteckt sich unter einer dichten, giftigen Atmosphäre, die für einen dramatischen Treibhauseffekt sorgt. Forscherinnen und Forscher interessiert deshalb, durch welche Prozesse Teilchen aus der unteren Atmosphäre der jeweiligen Planeten in ihre Ionosphäre und von dort ins Weltall entweichen.

In den Messdaten von MPPE beispielsweise hoffen Forscherinnen und Forscher, Hinweise auf ungebundene Kohlenstoff-Ionen, so genannten atomaren Kohlenstoff, zu finden. Seine Existenz in der Ionosphäre würde darauf hindeuten, dass in der daruntergelegenen Atmosphäre nicht nur ultraviolettes Licht einzelne Moleküle spaltet und somit Voraussetzungen für ihr Entweichen ins All schafft, sondern dass möglicherweise auch heftige Zusammenstöße mit Elektronen am Werk sind. Bereits 1996 konnte das Weltraumobservatorium SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) atomaren Kohlenstoff aus einer Entfernung von etwa 40 Millionen Kilometern im damals ungewöhnlich langen Ionenschweif der Venus nachweisen; seitdem ist dies keiner weiteren Sonde gelungen.

Und nicht zuletzt ist der bevorstehende Vorbeiflug für BepiColombo eine wichtige Generalprobe. Bevor die Sonde Ende 2025 in eine Umlaufbahn um den Merkur einschwenkt, stehen auf dem Reiseplan noch mehrere Merkur-Vorbeiflüge. Die geplanten Messungen an der Venus bieten somit die Gelegenheit sicherzustellen, dass bis dahin alle Messinstrumente in Topform sind.

Zu den Missionen

Die Doppelraumsonde BepiColombo der europäischen und japanischen Weltraumagenturen ESA und JAXA startete am 20. Oktober 2018 ins All. Sie besteht aus den beiden Sonden Mercury Planetary Orbiter und Mercury Magnetospheric Orbiter, die während der Anreise zum Merkur aufeinandergestapelt fliegen. Das MPS hat zu den Instrumenten BELA (BepiColombo Laser Altimeter), MIXS (Mercury Imaging X-ray Spectrometer), MPPE (Mercury Plasma Particle Experiment) und SERENA (Search for Exospheric Refilling and Emitted Natural Abundances Experiment) Hardware beigetragen und ist wissenschaftlich beteiligt an dem Magnetometer MPO-MAG und dem Instrument MDM (Mercury Dust Monitor).

Die ESA-Sonde Solar Orbiter ist seit 10. Februar 2020 im Weltraum unterwegs. Sie wird sich in den nächsten Jahren der Sonne auf Ellipsen immer weiter nähern, bis sie nur noch 42 Millionen Kilometer trennen. Das MPS hat zu den Instrumenten PHI (Polarimetric and Helioseismic Imager), EUI (Extreme-Ultraviolet Imager) und SPICE (Spectral Imaging oft he Coronal Environment) sowie zum Koronagraphen Metis beigetragen. Als Fernerkundungsinstrumente werden sie während des Venus-Vorbeiflugs ausgeschaltet sein.

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Quelle: ESA.

So wie die meisten von uns während der Feiertage im Rahmen der verschiedenen COVID-19-Maßnahmen sicher zu Hause bleiben werden, wird auch der Vorbeiflug – fast schon Routine bei der Satellitensteuerung – von Flugingenieurinnen und Flugingenieuren aus der Ferne überwacht werden.

Die nächste Annäherung findet am 27. Dezember um 13:39 MEZ statt, wobei die Sonde zu dem Zeitpunkt etwa 7.500 km von den höchsten Venuswolken entfernt sein wird. Ab 2025 erfolgen weitere, sehr viel nähere Vorbeiflüge mit wenigen hundert Kilometern Abstand.

Während des bevorstehenden Vorbeiflugs werden die In-situ-Instrumente MAG, RPW und einige Sensoren des EPD, eingeschaltet sein, um die magnetische, Plasma- und Partikelumgebung der Raumsonde aufzuzeichnen. Es ist nicht möglich, Aufnahmen von der Venus zu machen, da die Sonde der Sonne zugewandt bleiben muss.

Um Solar Orbiter für den Vorbeiflug richtig auszurichten, führten die ESA-Bodenstations- und Flugdynamik-Teams eine sogenannte „Delta-DOR“-Kampagne durch, bei der eine spezielle Technik – Delta-Differential One-Way Ranging – eingesetzt wurde, um die Position der Sonde im Weltraum und ihre Flugbahn genau zu bestimmen.

Bei Delta-DOR wird eine Reihe von geographisch weit voneinander entfernten Bodenstationen genutzt, um die Funksignale der Raumsonde zu empfangen und so ein erstes Ergebnis für ihre Position zu erhalten. Anschließend wird dieses Ergebnis mit den Positionen bekannter stellarer Radioquellen verglichen, die zuvor von anderen Missionen kartiert wurden, was eine korrigierte und ultrapräzise endgültige Darstellung erlaubt. Die Delta-DOR-Technik ermöglicht es den Flugingenieurinnen und Flugingenieuren, die Position einer Raumsonde auf wenige hundert Meter genau zu bestimmen, selbst in einer Entfernung von 100 Millionen km.

Heute, am 17. Dezember, ist Solar Orbiter etwa 235 Millionen Kilometer von der Erde und 10,5 Millionen Kilometer von der Venus entfernt.

Die Flugbahn des Solar Orbiter um die Sonne wurde so gewählt, dass sie „im Einklang“ mit der Venus steht. Das bedeutet, dass er alle paar Umläufe in die Nähe des Planeten zurückkehren wird und erneut dessen Schwerkraft nutzen kann, um seine Bahn zu verändern oder zu neigen. Die nächste Begegnung wird im August 2021 stattfinden, also nur wenige Tage vor dem Venus-Vorbeiflug der BepiColombo-Mission der ESA. Anfangs wird sich Solar Orbiter in der gleichen Bahnebene wie die Planeten befinden, aber jede Begegnung mit der Venus wird seine Bahnneigung erhöhen. Bis zum Jahr 2025 wird er seinen ersten Vorbeiflug an der Sonne dann mit einer Neigung von 17° durchführen, die bis zum Ende des Jahrzehnts auf 33° ansteigen wird, wodurch die Polarregionen mehr in den direkten Blick kommen. Auf diese Weise kann die Sonde die ersten Bilder von den Polarregionen der Sonne aufnehmen, die für das Verständnis der Funktionsweise der Sonne, für die Erforschung des Zusammenspiels von Sonne und Erde und für bessere Vorhersagen von stürmischem Weltraumwetter entscheidend sind.

Die Solar Orbiter-Mission beruht auf einer internationalen Zusammenarbeit zwischen der ESA und NASA.

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

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.

Wenige Monate nach ihrem Start ins All hat die ESA-Raumsonde Solar Orbiter Bilder der Sonne aus bisher unerreichter Nähe eingefangen. Darin zeigen sich unter anderem in der Sonnenatmosphäre Strukturen, die sich möglicherweise als sogenannte Nano-Flares, sehr kleine Strahlungsausbrüche, deuten lassen. Die Aufnahmen der insgesamt sechs abbildenden Instrumente, die heute veröffentlicht wurden, entstanden in den Tagen vor und nach dem 15. Juni, als die Raumsonde den sonnennächsten Punkt ihrer aktuellen Umlaufbahn erreichte. Nur 77 Millionen Kilometer trennten die Sonde von unserem Stern.

Obwohl diese frühe Missionsphase in erster Linie der Inbetriebnahme der Instrumente dient, bieten die Daten bereits einen eindrucksvollen Beweis für Solar Orbiters einzigartig umfassenden Blick auf die Sonne – von den Magnetfeldern an der Oberfläche bis zu den Teilchen, die als Sonnenwind ins All strömen. Das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen ist ein wichtiger Partner der Mission und an vier der Instrumente maßgeblich beteiligt.

Eines dieser Instrumente ist der Extreme-Ultraviolet Imager (EUI), zu dem das MPS eins von insgesamt drei Teleskopen beigesteuert hat. Das Instrument blickt in verschiedene Schichten der Korona, der heißen, äußeren Atmosphäre der Sonne, die in erster Linie ultraviolettes (UV-) Licht abstrahlt. Da UV-Licht zum größten Teil in der Erdatmosphäre absorbiert wird, steht es selbst den leistungsstärksten und größten erdgebundenen Sonnenteleskopen nicht zur Verfügung. Schon jetzt bietet EUI deshalb den schärfsten Blick auf diese Sonnenregion.

Im besonders kurzwelligen UV-Licht finden sich in den Aufnahmen von EUI kleine, helle Flecken, kaum mehr als 700 Kilometer im Durchmesser (Abbildung 1: EUI-Mosaik). Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler halten es für möglich, dass es sich um sogenannte Nano-Flares handelt, deutlich kleinere Versionen der gewaltigen Strahlungsausbrüche unseres Sterns, die weit ins All reichen und sich bis zur Erde auswirken können.

„Die größeren dieser Mini-Ausbrüche kennen wir bereits aus den Aufnahmen anderer Raumsonden; die vielen, vielen kleineren sehen wir jetzt zum ersten Mal“, erklärt MPS-Wissenschaftler Dr. Udo Schühle aus dem Führungsteam von EUI. Völlig überraschend war, wie häufig dieses Phänomen auftritt. „Die Korona ist offenbar voll von solchen Mini-Ausbrüchen“, so Schühle.

Gerade deshalb könnten Nano-Flares eine Erklärung bieten für die rätselhaft hohen Temperaturen in der Korona. Mit einer Million Grad liegen diese 200-fach über denen der darunterliegenden Photosphäre. Um zu verstehen, wodurch die Nano-Flares entstehen und wie sie die Korona mit Energie versorgen, ist ein Blick in tieferliegende Schichten nötig. Spuren der hellen Flecken finden sich auch in EUI-Aufnahmen der unteren Korona (Abbildung 2: Vergleich HRI EUV und HRI Lymann alpha). Diese Region bildet das hochauflösende Teleskop von EUI ab, das am MPS entwickelt und gebaut wurde.

Magnetfelder als treibende Kraft
Doch wie entstehen diese Phänomene? Welche Prozesse an der Oberfläche der Sonne sind verantwortlich? Und welche Rolle spielen die Magnetfelder unseres Sterns? Solche Fragen zu beantworten, ist die Stärke von Solar Orbiter.

Sechs abbildende Instrumente mit insgesamt zehn Teleskopen blicken in verschiedene Schichten der Sonne, von der sichtbaren Oberfläche über Photosphäre und Korona bis zur Übergangsregion von Sonnenatmosphäre zur inneren Heliosphäre. Vier weitere Instrumente, die sogenannten in-situ Instrumente, vermessen den Sonnenwind, der die Raumsonde umströmt. Mehr als jede andere Mission zuvor ist Solar Orbiter in der Lage, all diese Regionen und Phänomene mit einander in Beziehung zu setzen und so einen einzigartig umfassenden Blick auf die Sonne als Ganzes zu ermöglichen.

Auf die Sonnenoberfläche blickt der am MPS entwickelte und gebaute Polarimetric und Helioseismic Imager (PHI) (Abbildung 3: Mosaik aus HRT-Bildern). „Die magnetischen Strukturen an der Oberfläche der Sonne, die PHI sichtbar macht, sind die treibende Kraft hinter allen Prozessen, die Solar Orbiter in den äußeren Sonnenschichten beobachtet“, so MPS-Direktor Prof. Dr. Sami K. Solanki, wissenschaftlicher Leiter von PHI.

Aus der Stärke und Richtung der Magnetfelder an der Sonnenoberfläche können die Forscherinnen und Forscher berechnen, wie sich die Magnetfelder in die weiter außenliegenden Schichten fortsetzen. Erste Rechnungen dieser Art liegen bereits vor (Abbildung 4: Extrapolation der Magnetfeldlinien) und können helfen, die beobachteten Vorgänge in Photosphäre und Korona zu erklären.

In den Aufnahmen von PHI findet sich zudem eine aktive Region auf der Oberfläche der Sonne (Abbildung 5: FTD-Aufnahme mit aktiver Region). Solche eng benachbarten Regionen entgegengesetzter magnetischer Polarisation sind oftmals Ausgangspunkte für Sonnenflecken.

Anders als die meisten Sonnenspäher im All, die aus der Nähe der Erde auf die Sonne blicken, hatte Solar Orbiter zu diesem Zeitpunkt bereits eine völlig neuartige Perspektive. Etwa 70 Grad trennten die Sonde von der Sichtlinie zwischen Sonne und Erde. „Von der Erde aus betrachtet war diese aktive Region nicht sichtbar“, so Solanki.

Bewährungsprobe bestanden
Trotz dieser ersten Erkenntnisse und Erfolge sind die aktuellen Aufnahmen noch nicht Teil der wissenschaftlichen Messkampagne von Solar Orbiter. Für die abbildenden Instrumente beginnt diese erst 2022 in deutlich geringerer Entfernung von der Sonne.

„In den vergangenen Wochen ging es vor allem darum zu testen, wie sich unsere Instrumente unter realen Weltraumbedingungen verhalten“, erklärt Dr. Johann Hirzberger, Operations Scientist PHI. Neben PHI und EUI haben sich dabei auch die beiden anderen Instrumente mit MPS-Beteiligung bewährt. Der Spectral Imager of the Coronal Environment (SPICE) und der Koronagraph Metis blicken ebenfalls in die heiße, äußere Hülle der Sonne und liefern weitere Puzzlestücke zum Gesamtbild der Sonne.

„SPICE rastert die Korona Stück für Stück ab und zerlegt das eingefangene UV-Licht in seine einzelnen Wellenlängen“, erklärt MPS-Wissenschaftler Prof. Dr. Hardi Peter aus dem Leitungsteam von SPICE. Daraus lässt sich auf die Häufigkeit bestimmter Elemente in der Korona schließen. Auch bei diesen Untersuchungen zeigt sich die Stärke von Solar Orbiter. Das in-situ Instrument Solar Wind Analyzer (SWA) analysiert die Häufigkeit derselben Elemente im Sonnenwind. „So können wir verstehen, was mit den Teilchen auf ihrem Weg von der Korona ins All geschieht“, so Peter. (Abbildung 6: Infografik zu SPICE und EPD)

Der Koronagraph Metis macht die Übergangsregion zwischen Korona und innerer Heliosphäre sichtbar. Anders als bei anderen Koronographen im Weltall erzeugt das Instrument die entsprechenden Ansichten innerhalb weniger Minuten und kann so auch dynamische Prozesse sichtbar machen. „Auch die räumliche Auflösung übertrifft schon jetzt die anderer Koronographen im Weltall“, so MPS-Wissenschaftler Dr. Luca Teriaca aus dem Metis-Leitungsteam. (Abbildung 7: Metis-Bilder)

Allen Instrumenten zeigt sich die Sonne derzeit von ihrer ruhigen Seite. Erst in den nächsten Jahren, wenn sie ihr aktuelles Aktivitätsminimum verlassen hat, dürfte es auf der Sonne wieder dynamischer zugehen. Die abbildenden Instrumente von Solar Orbiter beginnen dann ihre Messkampange – und haben dann einen einzigartigen Blick auf das Sonnenfeuer.

Über Solar Orbiter:
Solar Orbiter startete am 10. Februar diesen Jahres von Cape Canaveral ins All. Die ESA-Mission, zu der auch die NASA beiträgt, ist mit insgesamt zehn wissenschaftlichen Instrumenten ausgerüstet. Während vier davon den Sonnenwind untersuchen, blicken sechs mit abbildenden Instrumenten auf die Sonne selbst.

Im Laufe der Mission wird sich die Raumsonde der Sonne auf 42 Millionen Kilometer annähern, ein Abstand, der nur von der Parker Solar Probe der NASA unterboten wird, die jedoch nicht auf die Sonne schaut. Zudem wird Solar Orbiter die Bahnebene, in der die Erde und die anderen Planeten um die Sonne kreisen, verlassen und so erstmals auf die Pole der Sonne schauen können.

Das MPS hat zu vier der Instrumente beigetragen. Unter Leitung des MPS entstand der Polarimetric und Helioseismic Imager (PHI). Zudem hat das Institut maßgeblich beigetragen zum Extreme-Ultraviolet Imager (EUI), zum Spectral Imager of the Coronal Environment (SPICE) und zum Koronagraphen Metis.

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

Der Beitrag MPS: SolO der Sonne so nah wie nie zuvor erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: ESA.

In der Woche nach diesem ersten Perihel, dem sonnennächsten Punkt auf der Umlaufbahn, werden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Mission die zehn Instrumente des Raumschiffs testen, darunter die sechs Teleskope an Bord, die zum ersten Mal gemeinsam Nahaufnahmen der Sonne machen werden. Laut Daniel Müller, ESA-Projektwissenschaftler für den Solar Orbiter, wurden noch nie Bilder der Sonne aus so großer Nähe aufgenommen. Sie sollen Mitte Juli veröffentlicht werden.

„Wir haben noch nie Bilder der Sonne aus einer näheren Entfernung als dieser gemacht“, sagt Müller. „Es hat Nahaufnahmen mit höherer Auflösung gegeben, die z.B. vom Vier-Meter-Sonnenteleskop Daniel K. Inouye auf Hawaii Anfang dieses Jahres aufgenommen wurden. Aber von der Erde aus, mit der Atmosphäre zwischen dem Teleskop und der Sonne, kann man nur einen kleinen Teil des Sonnenspektrums sehen, den man im Weltraum sehen kann“.

Die NASA-Sonnensonde Parker, die 2018 gestartet wurde, kommt zwar näher heran, sie verfügt jedoch nicht über Teleskope, die direkt auf die Sonne blicken können.

„Unsere abbildenden Ultraviolett-Teleskope haben die gleiche räumliche Auflösung wie die des Solar Dynamic Observatory (SDO) der NASA, das hochauflösende Bilder der Sonne aus einer erdnahen Umlaufbahn aufnimmt. Da wir derzeit nur halb so weit von der Sonne entfernt sind, haben unsere Bilder während dieses Perihels die doppelte SDO-Auflösung“, erklärt Müller.

Das Hauptziel dieser frühen Beobachtungen ist der Test, dass die Teleskope des Solar Orbiter für zukünftige wissenschaftliche Beobachtungen bereit sind.

Daniel Müller ist gespannt: „Zum ersten Mal werden wir in der Lage sein, die Bilder aller unserer Teleskope zusammenzusetzen und zu sehen, wie sie komplementäre Daten der verschiedenen Teile der Sonne aufnehmen, einschließlich der Oberfläche, der äußeren Atmosphäre, der Korona, und der weiteren Heliosphäre um sie herum“.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler werden auch Daten der vier In-situ-Instrumente analysieren sowie die Eigenschaften der Umgebung des Raumschiffs messen, wie das Magnetfeld und die Partikel, aus denen der Sonnenwind besteht.

„Dies ist das erste Mal, dass unsere In-situ-Instrumente in einer so geringen Entfernung zur Sonne arbeiten und uns einen einzigartigen Einblick in die Struktur und Zusammensetzung des Sonnenwindes geben“, so Yannis Zouganelis, stellvertretender ESA-Projektwissenschaftler für den Solar Orbiter. „Für die In-situ-Instrumente ist dies nicht nur ein Test, wir erwarten auch neue und aufregende Ergebnisse“.

Der am 10. Februar dieses Jahres gestartete Solar Orbiter schließt seine Inbetriebnahmephase am 15. Juni ab und beginnt mit seiner Reiseflugphase, die bis November 2021 dauern wird. In der darauffolgenden wissenschaftlichen Hauptphase der Mission wird die Raumsonde bis zu 42 Millionen Kilometer an die Oberfläche der Sonne herankommen, was näher als der Planet Merkur ist.

Der Solar Orbiter wird Anfang 2021 sein nächstes Perihel erreichen. Bei der ersten Annäherung an die Sonne in der wissenschaftlichen Hauptphase, Anfang 2022, wird er bis zu 48 Millionen Kilometer nah herankommen.

Die Flugingenieure des Solar Orbiter werden dann die Schwerkraft der Venus nutzen, um die Umlaufbahn der Sonde allmählich aus der Ekliptikebene, in der die Planeten des Sonnensystems kreisen, heraus zu verlagern. Diese Vorbeiflugmanöver werden es Solar Orbiter ermöglichen, die Sonne von höheren Breitengraden aus zu betrachten und zum ersten Mal eine gute Sicht auf ihre Pole zu erhalten. Die Untersuchung der Aktivität in den Polarregionen wird den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern helfen, das Verhalten des Magnetfeldes der Sonne besser zu verstehen. Das Magnetfeld treibt die Entstehung des Sonnenwindes an, der wiederum die Umwelt des gesamten Sonnensystems beeinflusst.

Da das Raumfahrzeug derzeit 134 Millionen Kilometer von der Erde entfernt ist, wird es etwa eine Woche dauern, bis alle Perihel-Bilder über die 35 m Deep Space Antenne der ESA in Malargüe, Argentinien, heruntergeladen sind. Die Wissenschaftsteams werden die Bilder dann bearbeiten, bevor sie Mitte Juli für die Öffentlichkeit freigegeben werden. Die Daten der In-situ-Instrumente werden im Laufe dieses Jahres nach einer sorgfältigen Kalibrierung aller einzelnen Sensoren veröffentlicht.

„Wir haben jeden Tag ein neunstündiges Download-Fenster, aber wir sind bereits sehr weit von der Erde entfernt, so dass die Datenrate viel niedriger ist als in den ersten Wochen der Mission, als wir noch sehr nahe an der Erde waren“, sagt Daniel Müller. „In den späteren Phasen der Mission wird es gelegentlich bis zu mehrere Monate dauern, alle Daten herunterzuladen, da es sich bei Solar Orbiter wirklich um eine Mission im tiefen Weltraum handelt. Im Gegensatz zu erdnahen Missionen können wir daher viele Daten an Bord speichern und sie herunterladen, wenn wir wieder näher an der Erde sind und die Datenverbindung viel besser ist.“

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

Der Beitrag ESA: Solar Orbiter nähert sich erstmals der Sonne erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: ESA.

Der Solar Orbiter wurde am 10. Februar 2020 gestartet. Abgesehen von einer kurzen Unterbrechung aufgrund der Coronavirus-Pandemie, haben Wissenschaftler und Ingenieure seither eine Reihe von Tests durchgeführt und nach und nach alle Instrumente in Betrieb genommen.

Das Fertigstellungsdatum für diese Phase wurde auf den 15. Juni festgelegt, so dass die Raumsonde zwei Tage später für ihren ersten Nahvorbeiflug an der Sonne – dem Perihel – voll funktionsfähig sein könnte. Aufgrund der Entdeckung der zufälligen Begegnung mit dem Kometen hat die Dringlichkeit aber zugenommen.

Ein zufälliger Flug durch den Schweif eines Kometen ist ein seltenes Ereignis auf einer Weltraummission und hat nach Kenntnis der Wissenschaft bislang erst sechs Mal bei Missionen stattgefunden, die sich nicht speziell auf Kometenjagd befanden. All diese Begegnungen wurden erst nach dem Ereignis anhand der Daten der Raumsonde entdeckt. Der bevorstehende Durchflug des Solar Orbiter ist der erste, der bereits im Vorfeld erwartet wird.

Erkannt wurde das bevorstehende Ereignis von Geraint Jones vom UCL Mullard Space Science Laboratory in Großbritannien, der solche Begegnungen bereits seit 20 Jahren erforscht. Er entdeckte die erste zufällige Durchquerung eines Kometenschweifs im Jahr 2000, als er eine seltsame Anomalie in den Daten untersuchte, die 1996 von Ulysses, der Raumsonde der ESA und der NASA zur Erforschung der Sonne, aufgezeichnet worden waren. Diese Untersuchung ergab, dass die Raumsonde den Schweif des Kometen Hyakutake, auch bekannt als ‘der Große Komet von 1996’, durchquert hatte. Kurz nachdem dies bekannt geworden war, flog Ulysses auch durch den Schweif eines zweiten und schließlich 2007 eines dritten Kometen.

Als Jones Anfang des Monats erkannte, dass der Solar Orbiter in nur wenigen Wochen 44 Millionen Kilometer vom Kometen C/2019 Y4 (ATLAS) entfernt sein würde, informierte er unverzüglich das ESA-Team.

Bonusmaterial für die Wissenschaft
Der Solar Orbiter ist mit einem Satz von 10 In-situ- und Fernerkundungs-Instrumenten ausgestattet, um den Sonnenwind, den stetigen Strom geladener Teilchen, den die Sonne in den Weltraum freisetzt, zu untersuchen. Die vier In-situ-Instrumente eignen sich zufällig auch perfekt für die Erkennung der Kometenschweife, da sie die Bedingungen rund um die Raumsonde messen und so Daten über die Staubpartikel und die elektrisch geladenen Teilchen, die der Komet ausstößt, liefern könnten. Diese Emissionen bilden die zwei Schweife des Kometen: den Staubschweif, der in der Kometenbahn zurückbleibt, und den Ionenschweif, der immer von der Sonne weggerichtet ist.

Der Solar Orbiter wird vom 31. Mai bis 01. Juni den Ionenschweif und am 6. Juni den Staubschweif des Kometen ATLAS durchqueren. Wenn der Ionenschweif dicht genug ist, könnte das Magnetometer (MAG) des Solar Orbiter die Variation des interplanetaren Magnetfelds aufgrund seiner Wechselwirkung mit den Ionen im Kometenschweif erkennen, während der Sonnenwind-Plasma-Analysator (Solar Wind Plasma Analyser – SWA) einige der Schweifpartikel direkt erfassen könnte.

Wenn der Solar Orbiter den Staubschweif kreuzt, ist es je nach seiner Dichte – die äußerst schwer vorherzusagen ist – möglich, dass ein oder mehrere winzige Staubpartikel mit einer Geschwindigkeit von mehreren Dutzend Kilometern pro Sekunde auf die Raumsonde treffen. Zwar besteht hierdurch kein signifikantes Risiko für das Raumfahrzeug, die Staubteilchen selbst werden jedoch beim Aufprall verdampfen und winzige Wölkchen aus elektrisch geladenem Gas oder Plasma bilden, die vom Radio- und Plasmawellen-Instrument (Radio and Plasma Waves – RPW) erfasst werden könnten.

„Eine unerwartete Begegnung wie diese bietet einer Mission einzigartige Chancen und Herausforderungen – und das ist auch gut so! Chancen wie diese sind Teil des Abenteuers der Wissenschaft“, meint Günther Hasinger, ESA-Direktor für Wissenschaft.

Eine dieser Herausforderungen bestand darin, dass die Instrumente wegen der Inbetriebnahme wahrscheinlich nicht alle rechtzeitig bereit sein würden. Dank des besonderen Einsatzes der Instrumenten-Teams und des Mission Operations Teams der ESA werden nun alle vier In-situ-Instrumente eingeschaltet sein und Daten sammeln, auch wenn die Instrumente zu bestimmten Zeiten wieder in den Inbetriebnahmemodus geschaltet werden müssen, um sicherzustellen, dass der Termin am 15. Juni eingehalten wird.

„Mit diesen Einschränkungen sind wir für alles gerüstet, was uns der Komet ATLAS mitzuteilen hat“, erklärt Daniel Müller, ESA-Projektwissenschaftler für Solar Orbiter.

Erwarte das Unerwartete
Eine weitere Herausforderung stellt das Verhalten des Kometen dar. Der Komet ATLAS wurde am 28. Dezember 2019 entdeckt. Während der darauffolgenden Monate wurde er immer heller und Astronomen hatten gehofft, dass er im Mai mit bloßem Auge sichtbar sein würde.

Doch leider zerbrach der Komet Anfang April in mehrere Teile, was dazu führte, dass er deutlich an Helligkeit verlor und die Hoffnungen der Himmelsbeobachter schwanden. Eine weitere Fragmentierung Mitte Mai verkleinerte den Kometen noch weiter, so dass sich die Wahrscheinlichkeit, dass er vom Solar Orbiter erkannt wird, verringert hat.

Geraint Jones ist der Ansicht, dass sich der Aufwand dennoch lohnt, obwohl die Chancen auf Entdeckung gesunken sind. „Bei jeder Begegnung mit einem Kometen erfahren wir mehr über diese faszinierenden Objekte. Wenn der Solar Orbiter die Anwesenheit des Kometen ATLAS entdeckt, erfahren wir mehr darüber, wie Kometen mit dem Sonnenwind interagieren, und können zum Beispiel prüfen, ob unsere Erwartungen an das Verhalten des Staubschweifes mit unseren Modellen übereinstimmen“, erklärt er. „Alle Missionen, bei denen Begegnungen mit Kometen stattfinden, liefern Teile des Puzzles.“

Geraint Jones ist leitender Wissenschaftler der künftigen ESA-Mission Comet Interceptor, einer dreiteiligen Raumsonde, deren Start für 2028 geplant ist. Sie wird sehr nahe an einem Kometen vorbeifliegen, der zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch unbekannt ist. Ein geeigneter Komet wird zu einem späteren Zeitpunkt, der näher am Starttermin (oder sogar danach) liegt, erst noch von den Wissenschaftlern ausgewählt.

Erforschung der Sonne
Der Solar Orbiter umkreist derzeit unseren Mutterstern zwischen den Orbits von Venus und Merkur, wobei das erste Perihel für den 17. Juni geplant ist, mit einem Abstand von ca. 77 Millionen Kilometern von der Sonne. In den kommenden Jahren wird der Solar Orbiter in etwa 42 Millionen Kilometern Entfernung von der Sonne – im Orbit des Merkurs – seine Umlaufbahn erreicht haben. Der Komet ATLAS ist bereits dort und nähert sich seinem Perihel mit einem Abstand von etwa 37 Millionen Kilometern von der Sonne, das für den 31. Mai erwartet wird.

„Diese Durchquerung eines Kometenschweifs ist auch deshalb so aufregend, weil sie zum ersten Mal in einer derart geringen Entfernung von der Sonne stattfinden wird, wobei sich der Kometenkern innerhalb der Umlaufbahn des Merkurs befindet“, sagt Yannis Zouganelis, stellvertretender ESA-Projektwissenschaftler für Solar Orbiter.

Das Verständnis der Staubumgebung in der innersten Region des Sonnensystems ist eines der wissenschaftlichen Ziele des Solar Orbiter.

„Sonnennahe Kometen wie der Komet ATLAS sind Quellen von Staub in der inneren Heliosphäre, deshalb wird diese Studie nicht nur dazu beitragen, den Kometen, sondern auch die Staubumgebung unseres Zentralgestirns besser zu verstehen“, ergänzt Yannis Zouganelis.

Der Blick auf ein eisiges Objekt statt auf die sengende Sonne ist sicherlich eine aufregende – und unerwartete – Möglichkeit für den Solar Orbiter zu Beginn seiner wissenschaftlichen Mission. Aber so funktioniert nun einmal die Wissenschaft.

„Wissenschaftliche Entdeckungen beruhen auf guter Planung und glücklichem Zufall. In den drei Monaten seit dem Start der Mission hat das Solar Orbiter-Team bereits bewiesen, dass es auf beides vorbereitet ist“, so Daniel Müller.

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

Der Beitrag Solar Orbiter und der Komet ATLAS erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: MPS.

Seit Anfang Februar 2020 ist die ESA-Raumsonde Solar Orbiter auf dem Weg zu ihrer anvisierten Umlaufbahn um die Sonne. Von dort wird sie mit ihren zehn wissenschaftlichen Instrumenten einen einzigartigen Blick auf unser Zentralgestirn genießen. Diese erste Missionsphase ist jedoch mehr als bloße Anreise, sondern besonders für die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, Ingenieurinnen und Ingenieure bereits der erste Teil des Abenteuers. In den vergangenen Wochen und Monaten haben sie alle Instrumente an Bord nach und nach in Betrieb genommen. Die Bilanz des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS), das an vier Instrumenten beteiligt ist, fällt bisher durchweg positiv aus: Alle Systeme funktionieren wie geplant.

Die jüngsten guten Nachrichten kamen vom EUI-Team. Der Extreme-Ultraviolett Imager hat die Hardware-Tests erfolgreich abgeschlossen. „Das Instrument besteht aus drei Teleskopen, die eins nach dem anderen in Betrieb genommen werden mussten. Das war sehr spannend“, berichtet MPS-Wissenschaftler Dr. Udo Schühle, der zum Leitungsteam von EUI gehört, von den Arbeiten der vergangenen Wochen. EUI liefert Aufnahmen der heißen Sonnenatmosphäre, der so genannten Korona, im Sekundentakt. Es kann so schnell veränderliche Prozesse in dieser Region sichtbar machen.

Ebenfalls auf die Korona blicken zwei weitere Instrumente mit MPS-Beteiligung. Der Spektrograph SPICE (Spectral Imaging of the Coronal Environment) spaltet die ultraviolette Strahlung aus dieser Region in ihre verschiedenen Wellenlängen auf. Der Koronograph Metis liefert Informationen aus der Übergangsregion zwischen Korona und innerster Heliosphäre. Beide Instrumente konnten bereits Ende April beweisen, dass sie einwandfrei funktionieren.

Dabei zeigten die Tests unter anderem, dass die besondere Strategie aufgeht, mit der sich SPICE während des Betriebs vor Überhitzung schützt. Anders als andere Instrumente lässt SPICE die gesamte Sonnenstrahlung ins Instrument eintreten. Ein speziell am MPS entwickelter Spiegel erlaubt einem Großteil der Strahlung, den Spektrographen zu durchqueren ohne ihn aufzuheizen. Nur ein kleiner Teil wird im Instrument weiterverarbeitet. „Dass der Spiegel wie geplant funktioniert, ist ein großer Erfolg“, freut sich Schühle, der auch zum SPICE-Team gehört. „Schließlich ist er der gesamten Sonnenstrahlung ausgesetzt und so besonders anfällig für Beschädigungen durch ultraviolette Strahlung“, fügt er hinzu.

Auch der Koronograph Metis zeigt sich in den Tests von seiner besten Seite. Vor Kurzem konnte das Team die genaue Position der Blende, welche die Sonnenscheibe verdeckt und so die weniger hell strahlende Korona sichtbar macht, optimieren. „Dies ist ein sehr kritischer Schritt“, so Dr. Luca Teriaca vom MPS, der zum Leitungsteam von Metis gehört. Erste, vorläufige Bilder sehen sehr vielversprechend aus.

Ein wenig Geduld müssen noch die Wissenschaftler aus dem Team um das Doppelteleskop PHI (Polarimetric and Helioseismic Imager) haben. Das Instrument wurde unter Leitung des MPS entwickelt und gebaut; auch die derzeitigen Tests werden am MPS koordiniert. „Die Hardware konnten wir bereits überprüfen und sind rundum zufrieden“, so MPS-Wissenschaftler Dr. Johann Hirzberger, Operations Scientist von PHI. Um für die kommenden Aufgaben optimal gewappnet zu sein, will das Team in den nächsten Tagen noch an der wissenschaftlichen Vorauswertung der Messdaten im Instrument feilen.

Bevor für Solar Orbiter die sogenannte Cruise-Phase mit ersten kurzen Messkampagnen für die MPS-Instrumente beginnt, stehen in den nächsten Wochen noch letzte Tests an. Diese sollen zeigen, dass die Instrumente harmonieren, wenn sie gleichzeitig Messungen durchführen. Der zehnfache Blick auf die Sonne und ihre Umgebung ist schließlich die besondere Stärke von Solar Orbiter.

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

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Quelle: ESA.

Die ESA-Mission Solar Orbiter startete am Montag, den 10. Februar 2020, um den Einfluss der Sonne auf die Heliosphäre genauer zu erforschen. An Bord befinden sich zehn wissenschaftliche Instrumente, von denen vier das direkte Umfeld der Sonde analysieren werden, darunter die elektromagnetischen Eigenschaften des Sonnenwindes und die geladenen Teilchen, die von der Sonne ausgespuckt und vom Solarwind durch unser Sonnensystem getragen werden. Drei der sogenannten In-situ-Instrumente verfügen über Sensoren, die sich auf dem 4,4 m langen Instrumentenarm befinden.

„Wir messen magnetische Felder, die zigtausend Mal kleiner sind als jene auf der Erde“, sagt Tim Horbury vom Imperial College London, Leitender Wissenschaftler für das Magnetometerinstrument (MAG). „Selbst Ströme in elektrischen Leitungen erzeugen Magnetfelder, die weit größer sind als das, was wir messen müssen. Deshalb befinden sich unsere Sensoren auf einem Ausleger, fern von der gesamten elektrischen Aktivität im Inneren des Raumfahrzeugs.“

Beobachtung des Magnetfeldes während der Entfaltungssequenz

Im Europäischen Satellitenkontrollzentrum in Darmstadt wurden die beiden Sensoren des Magnetometers, einer am Ende des Auslegers und der andere in der Nähe des Hauptkörpers, etwa 21 Stunden nach dem Start eingeschaltet. Das Instrument zeichnete vor, während und nach der Entfaltung des Auslegers Daten auf. Auf diese Weise erhielten die Wissenschaftler Aufschluss über den Einfluss des Raumfahrzeugs auf die Messungen in der Weltraumumgebung.

Das Zwei-Komponenten-MAG wird das Magnetfeld um die Sonde äußerst präzise messen. Zu klären ist, wie das Magnetfeld der Sonne mit dem Rest des Sonnensystems interagiert und wie es sich verändert. Man erhofft sich Informationen zur Erwärmung der Korona und zum Energietransport im Sonnenwind.

„Die gewonnenen Daten zeigen, wie das Magnetfeld von der Umgebung des Raumschiffs bis zum Ort der tatsächlichen Inbetriebnahme der Instrumente abnimmt“, fügt Tim hinzu. „Es handelt sich um eine unabhängige Bestätigung, dass die Entfaltung tatsächlich stattgefunden hat und wir davon ausgehen können, dass die Instrumente auch in Zukunft genaue wissenschaftliche Messungen liefern werden.“

Während sich der Titan-/Kohlefaser-Arm am Mittwoch, fast drei Tage nach dem Start, über einen Zeitraum von 30 Minuten ausbreitete, konnten die Wissenschaftler beobachten, wie das Niveau des Magnetfelds um etwa eine Größenordnung abnahm. Am Anfang beobachteten sie vor allem das Magnetfeld des Raumfahrzeugs. Zum Ende des Vorgangs konnten sie erstmals einen Blick auf das deutlich schwächere Magnetfeld in der Umgebung werfen.

„Die Messungen vor, während und nach der Entfaltung des Instrumentenarms ermöglichen die Identifizierung und Charakterisierung von Signalen, die nicht mit dem Sonnenwind in Verbindung stehen. Dazu gehören beispielsweise Störungen, die von der Plattform des Raumfahrzeugs und anderen Instrumenten ausgehen“, sagt Matthieu Kretzschmar vom Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace in Orleans, Frankreich. Er ist leitender Wissenschaftler für das Hochfrequenz-Magnetometer des RPW-Instruments (Radio and Plasma Waves), der sich auch am Instrumentenarm befindet.

„Das Raumschiff wurde am Boden umfangreichen Tests unterzogen, um seine magnetischen Eigenschaften in einer speziellen Simulationsanlage zu messen, allerdings konnten wir diesen Aspekt bisher nicht vollständig im Weltraum testen, da die Testeinrichtungen in der Regel verhindern, dass wir das erforderliche sehr niedrige Niveau der Magnetfeldschwankungen erreichen“.

Als nächstes müssen die Instrumente kalibriert werden, bevor die eigentliche wissenschaftliche Arbeit beginnt.

Bereit für die Forschung

„Bis Ende April werden wir die In-situ-Instrumente nach und nach einschalten und überprüfen, ob sie ordnungsgemäß funktionieren“, sagt Yannis Zouganelis, stellvertretender Projektwissenschaftler der ESA-Mission Solar Orbiter. „Und bis dahin werden wir eine bessere Vorstellung von der Leistung der Instrumente haben und hoffentlich Mitte Mai erste wissenschaftliche Daten sammeln können“.

Neben der Entfaltung des Instrumentenarms wurden in den frühen Morgenstunden des 13. Februar 2020 drei Antennen des RPW-Instruments, mit denen die Eigenschaften der elektromagnetischen und elektrostatischen Wellen im Sonnenwind untersucht werden sollen, erfolgreich eingeschaltet. Die Ergebnisse müssen noch analysiert werden.

Der Solar Orbiter verfügt zusätzlich zu den vier In-situ-Instrumenten über sechs Fernerkundungsinstrumente. Es handelt sich dabei größtenteils um Teleskope, mit denen die Oberfläche der Sonne bei verschiedenen Wellenlängen erfasst werden kann, um so die bisher besten Bilder unseres Muttersterns zu erhalten.

„Die Fernerkundungsinstrumente werden in den kommenden Monaten in Betrieb genommen. Wir freuen uns darauf, sie im Juni [2020], wenn sich der Solar Orbiter der Sonne nähert, eingehender zu testen“, fügt Yannis hinzu.

Entschlüsselung der wissenschaftlichen Geheimnisse

Durch die Zusammenlegung beider Instrumentarien lässt sich das Geschehen auf der Sonne mit Phänomenen verbinden, die im Sonnenwind beobachtet werden. So können die Wissenschaftler zum Beispiel den 11-Jahres-Zyklus der Sonnenaktivität, die Erzeugung des Sonnenmagnetfeldes und die Beschleunigungsmechanismen der energiereichen Teilchen untersuchen.

„Die zehn Instrumente an Bord unserer Mission werden wie in einem Orchester zusammenspielen“, so Daniel Müller, Wissenschaftler in der ESA-Mission Solar Orbiter. „Wir haben gerade mit den Tests begonnen, und nach und nach werden weitere Instrumente hinzukommen. Sobald wir fertig sind, werden wir in einigen Monaten die Sonnensymphonie hören.“

Solar Orbiter ist eine von der ESA geleitete Mission mit maßgeblicher Beteiligung der NASA. Als Generalunternehmer fungiert Airbus Defence and Space mit Sitz in Stevenage, UK. Solar Orbiter ist die erste „Mittelklasse“-Mission, die unter dem derzeitigen ESA-Rahmenprogramm Cosmic Vision 2015-25 stattfindet.

Weitere Informationen zu Solar Orbiter: Solar Orbiter

Medienkit: https://esamultimedia.esa.int/docs/science/solar_orbiter_media_kit.pdf

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

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