ESA-Sonde SolO soll Mysterium der Sonnenpole lösen

Die Pole unseres Heimatsterns sind vielleicht die extremsten Regionen im ganzen Sonnensystem – aber bislang weiß niemand, wie sie aussehen. Montag, 10. Februar 2020

Am frühen Montagmorgen, als in Deutschland der Orkan Sabine über das Land fegte, brach auf der anderen Seite des Atlantiks eine europäische Sonde in Richtung Sonne auf. Um 5:03 Uhr startete die Rakete vom Cape Canaveral in Florida und brachte den 1,8 Tonnen schwere Orbiter sicher ins All.

Obwohl unser Heimatstern jeden unserer Tage erhellt, hat die Menschheit die Sonne bisher immer nur aus einer Perspektive gesehen: von der Planetenebene aus in der Frontalansicht. Der Solar Orbiter der ESA – kurz: SolO – wird das bald ändern. Im Rahmen seiner Mission wird der Orbiter die Sonne auf einer Längsachse umkreisen und damit auch die bislang ungesehenen Polregionen des Sterns erkunden.

Aus dieser einzigartigen Perspektive werden SolOs zehn Bordinstrumente dabei helfen, die Partikelströme der Sonne – die Sonnenwinde – näher zu untersuchen, die durch gesamte Planetensystem geschleudert werden. Auch das Rätsel darum, was den elfjährigen magnetischen Zyklus der Sonne steuert, soll mit der neuen Sonde gelöst werden. Die Intensität des Zyklus variiert und erzeugt daher oft unvorhergesehene Fluktuationen in der Sonnenaktivität.

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„Das begreifen wir ganz grundsätzlich noch nicht“, sagt Daniel Müller, der SolO-Projektwissenschaftler der ESA. „Hoffentlich können wir diese Wissenslücke mit Hilfe des Solar Orbiters schließen.“

Diese Ursachenforschung ist tatsächlich kein rein akademisches Projekt: Sie kann dabei helfen, die öffentliche Sicherheit auf der Erde zu gewährleisten. Schwankungen im Magnetfeld der Sonne sind eine der Ursachen für Sonneneruptionen. Wenn dabei Plasma in Richtung Erde geschleudert wird, können diese Teilchenströme Stromnetze lahmlegen, Satelliten beschädigen und für Menschen im Weltall tödlich sein. Aktuell gibt es noch keine Möglichkeit, um vorherzusagen, wann sich solche Eruptionen ereignen oder wie stark sie das Leben auf der Erde beeinträchtigen.

„Wenn wir diese grundlegenden physikalischen Prozesse im Inneren der Sonnenatmosphäre verstehen, wird uns das wirklich helfen“, sagt Holly Gilbert von der NASA, die stellvertretende Projektleiterin für die SolO-Mission.

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Unser Heimatstern hält das gesamte Sonnensystem zusammen. Was würde passieren, wenn er plötzlich verschwindet? Erfahrt mehr über den Stern im Herzen unseres Systems und die Prozesse in seinem Inneren.

Der Solar Orbiter ist eines von mehreren neuen Projekten, deren Fokus die Sonne ist. Gemeinsam liefern sie eine Bandbreite von neuen Möglichkeiten, um unseren Heimatstern wissenschaftlich zu erforschen.

„Gerade ist eine sehr tolle Zeit, um ein Heliophysiker zu sein“, merkt Nicola Fox an, die Direktorin der Heliophysikabteilung der NASA. „Solche gleichzeitigen, koordinierten Bemühungen machen einfach einen riesigen Unterschied im Hinblick auf die wissenschaftlichen Möglichkeiten.“

Eine goldene Ära der Sonnenforschung

Tatsächlich ist die Sonne gerade ziemlich angesagt.

Ende Januar veröffentlichte das Observatorium des Sonnenteleskops DKIST eine Reihe spektakulärer Nahaufnahmen der Sonnenoberfläche. Zu Filmen zusammengesetzt zeigen die Bilder die brodelnde Oberfläche des Sterns mit Plasmazellen von der doppelten Größe Deutschlands.

Im Dezember 2019 wurden die ersten Beobachtungsdaten der Parker Solar Probe der NASA veröffentlicht, die die Sonde während eines nahen Vorbeiflugs an dem Stern gesammelt hat. In der Sonderausgabe des „Astrophysical Journal“, die in der ersten Februarwoche erschien, finden sich vier Dutzend weitere Studien zu der Mission. In dieser Schatzkiste an Beobachtungsdaten verbargen sich auch anormale Magnetwellen, der erste Hinweis auf einen staubfreien Bereich direkt jenseits der Sonne und die überraschende Erkenntnis, dass der Sonnenwind sich viel schneller als erwartet seitwärts bewegt.

Die Parker Solar Probe sammelt all diese Daten, wenn sie in die Sonnenkorona eintaucht – der äußere, mehrere Millionen Grad Kelvin heiße Bereich der Atmosphäre. Im Laufe ihrer siebenjährigen Reise wird sie der Sonne auf ihren Vorbeiflügen zunehmend näher kommen, bis sie schließlich nur noch 5,9 Millionen Kilometer von ihrer kochenden Oberfläche entfernt sein wird.

Die beiden Sonden – die Parker Solar Probe und der Solar Orbiter – werden streckenweise gemeinsam Daten sammeln und Forschern damit einen größeren Kontext für einzelne Messungen liefern.

Nach SolOs Start wird die Sonde über gezielte Vorbeiflüge an Erde und Venus erst einmal an Geschwindigkeit aufnehmen und sich dann auf den Weg zur Sonne machen. Durch das Vorbeischwungmanöver an der Venus wird die Sonde in einen geneigten Orbit befördert, von dem aus sie die beiden Pole der Sonne erkunden kann. Den ersten Blick auf eine solche Polregion werden wir wohl aber nicht vor 2025 erhaschen.

„Mit jedem Vorbeiflug wird die Sonde höher und höher steigen. Auf diese Weise wickeln wir die Polregionen gewissermaßen Schicht für Schicht aus“, sagt Gilbert.

Zusammen wird das Sondenduo hochauflösende Aufnahmen der womöglich turbulentesten und extremsten Region des Sonnensystems erzeugen. Wenn sie den Stern gemeinsam umrunden, werden Parker und SolO ihre Instrumente auf den Sonnenwind richten, der von der Sonne in die Weiten des Systems geschleudert wird. Parker wird Daten über diese Partikelströme sammeln, während SolOs Bordkamera Aufnahmen jener Bereiche macht, durch die Parker hindurchfliegt.

„Das wird eine wirklich tolle Synergie ergeben“, sagt Gilbert. „Das liefert uns die kontextuellen Informationen. Während Parker das eigentliche Plasma analysiert, schießt SolO Bilder davon.“

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Und während die beiden Sonden um die Sonne fliegen, wird das DKIST auf dem Vulkan Haleakalā in Hawaii sein Auge auf die Sonnenoberfläche richten. Dank seines 4,2 Meter großen Spiegels kann es die Oberfläche viel genauer erkennen als die beiden Sonden.

„Was DKIST alles kann, könnten wir vom Weltall aus niemals bewerkstelligen“, sagt Müller. „Seine Auflösung im sichtbaren Bereich des Lichtspektrums ist beispiellos.“

Es ist kein Zufall, dass die Sonne aktuell so in den Fokus der wissenschaftlichen Aufmerksamkeit rückt, sagt Kelly Korreck. Die Heliophysikerin vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics ist eine der Studienleiterinnen für ein Instrument an Bord der Parker Solar Probe. Diese neuen Sonnenbeobachtungen – sowohl von der Erde als auch vom Weltall aus – sind das Ergebnis jahrzehntelanger Planung und technologischen Fortschritts.

„Die Technologie hat aufgeholt“, sagt Korreck, „und darum können wir jetzt einige dieser gewagten, coolen Missionen durchführen.“

SolOs wissenschaftliche Mission

Derweil könnten SolOs Beobachtungen ein wichtiges Puzzleteil für den magnetischen Zyklus der Sonne liefern. Forscher wissen schon länger, dass die Sonnenaktivität periodisch alle elf Jahre schwankt. Bisherige Theorien, die diesen Vorgang erklären sollten, passten am Ende jedoch nie zu den tatsächlichen Beobachtungen. Ein Grund dafür könnte Müller zufolge sein, dass Daten von den Polregionen der Sonne fehlten. Mitte der 90er und Anfang der 2000er erhaschte das Raumfahrzeug Ulysses zwar einen „Blick“ auf die Pole der Sonne, allerdings von sehr weit weg und ohne Bordkamera.

„Wir wissen einfach nicht, wie die Pole aussehen, und wir glauben einfach, dass wir diese Daten brauchen, um einige der Geheimnisse des Magnetzyklus zu lüften“, sagt Müller. „Das war bisher unser blinder Fleck.“

Wenn die Forscher erst einmal einen umfassenden Überblick über die gesamte Sonne haben, sollten sie in der Lage sein, die Feinheiten der magnetischen Zyklen und den Weg der Energie an der Sonnenoberfläche genauer zu untersuchen. Die Plasma-Magnetfeldbögen und die magnetischen Wellen an der Sonnenoberfläche können enorme Energiemengen freisetzen – und die neu entdecken Wellenanomalien könnten vielleicht erklären, warum die Korona heißer ist als die Sonnenoberfläche.

Sonneneruptionen verlaufen entlang der Magnetfeldbögen, die sich bis weit oberhalb der Sonnenoberfläche spannen. Gelegentlich werden bei solchen Eruptionen Teilchenströme ins All geschleudert. Wenn solche koronalen Masseauswürfe (CME) die Erde treffen, kann das katastrophale Folgen haben.

Im Jahr 1859 legte ein besonders starker CME Telegrafen lahm und ließ am Nachthimmel so intensive Auroras aufleuchten, dass es taghell wurde. Genau solche Magnetstürme wie beim Carrington-Ereignis hoffen Forscher, in Zukunft so früh wie möglich vorhersagen zu können.

Mit genügend Vorwarnzeit könnten gefährdete Satelliten und Stromnetze vorsorglich abgeschaltet werden und Astronauten im Orbit oder im All könnten Schutz suchen.

„Wir können den Schaden vermindern, aber dafür müssen wir genau verstehen, wann die Sonne besonders aktiv sein wird und wie sich das auf das Erdmagnetfeld auswirkt“, sagt Korreck. „Je mehr wir für die Kommunikation auf Satelliten angewiesen sind, zum Mond und zum Mars fliegen und den Weltraum bereisen, desto mehr müssen wir begreifen, welchen Gefahren unsere Besatzung und unsere elektronischen Geräte im Weltraum ausgesetzt sind.“

Zudem könnte ein tiefergehendes Verständnis für die Prozesse in der Sonne auch dabei helfen, mehr über andere Systeme zu erfahren. „Wir lernen mehr darüber, wie ein Stern funktioniert“, sagt Fox. „Und das lässt sich dann auch auf andere Sterne in anderen Sternsystemen anwenden.“

Der Artikel wurde ursprünglich in englischer Sprache auf NationalGeographic.com veröffentlicht.

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