NASA-Sonnensonde „Parker“ liefert neue Einblicke in die Physik unserer Sonne

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Künstlerische Darstellung der NASA-Sonnensonde „Parker Solar Probe“ vor der Sonne (Illu.). Copyright: Johns Hopkins APL/ NASA

Künstlerische Darstellung der NASA-Sonnensonde „Parker Solar Probe“ vor der Sonne (Illu.).
Copyright: Johns Hopkins APL/ NASA

Washington (USA) – Die im August 2018 gestartete NASA-Sonde „Parker Solar Probe“ (PSP) untersucht die Sonne derzeit so nah, wie noch kein irdisches Raumschiff zuvor. Mit modernsten wissenschaftlichen Instrumenten zur Messung der Umgebung hat „Parker“ mittlerweile schon drei von 24 geplanten Durchquerungen der zuvor noch nie erforschten Teile der Sonnenatmosphäre, der sogenannten Korona, absolviert und liefert schon jetzt beispiellose neue Erkenntnisse über die Physik unseres Muttersterns.

In gleich vier Artikel in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten die Sonnenwissenschaftler von ihren bisherigen Beobachtungen und Entdeckungen und geben Ausblicke auf das, was von der PSP zukünftig noch zu erwarten ist,

Highly structured slow solar wind emerging from an equatorial coronal hole. Nature, 2019; DOI: 10.1038/s41586-019-1818-7

Near-Sun observations of an F-corona decrease and K-corona fine structure. Nature, 2019; DOI: 10.1038/s41586-019-1807-x

Alfvénic velocity spikes and rotational flows in the near-Sun solar wind. Nature, 2019; DOI: 10.1038/s41586-019-1813-z

Probing the energetic particle environment near the Sun. Nature, 2019; DOI: 10.1038/s41586-019-1811-1

Die aktuellen Ergebnisse offenbaren unter anderem neue Informationen über das Verhalten des Materials und der Partikel, die sich von der Sonne in Form des sogenannten Sonnenwindes entfernen, und bringen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Beantwortung grundlegender Fragen zur Physik unseres Sterns näher. Auf der Suche nach dem Schutz von Astronauten und Technologie im Weltraum hat „Parker“ schon jetzt herausgefunden, wie die Sonne fortwährend Material und Energie ausstößt. Anhand der gewonnen Daten können Forscher nun bisherige Modelle zum Strom und den Prozessen des Sonnenwindes neu aktualisieren, mit denen das sogenannte Weltraumwetter um unseren Planeten besser verstanden vorhergesagt werden kann.

“Diese ersten Daten von Parker enthüllen unsere Sonne auf eine neue und überraschende Weise”, kommentiert Thomas Zurbuchen, leitender Wissenschaftler der NASA. „Wenn wir nun die Sonne nicht mehr nur aus größerer Distanz, sondern aus der Nähe betrachten, erhalten wir einen beispiellosen Einblick in wichtige Sonnenphänomene und deren Auswirkungen auf die Erde und so auch neue Erkenntnisse, die für das Verständnis aktiver Sterne über Galaxien hinweg relevant sind. Das alles ist aber nur der Beginn einer unglaublich aufregenden Zeit für die Heliophysik mit Parker als Vorreiter für neue Entdeckungen.”

Hintergrund
Obwohl sie uns – von einigen Turbulunzen abgesehen – von der Erde aus betrachtet ruhig erscheint, ist die Sonne alles andere als das: Unser Heimatstern ist magnetisch aktiv und setzt mächtige Lichtblitze frei, Schwärme von Partikeln, die sich mit annähernder Lichtgeschwindigkeit bewegen, und milliardenschwere Wolken aus magnetisiertem Material.
Bis diese Partikel- und Strahlenströme aber die Erde erreichen, sind sie bereits über 140 Millionen Kilometer gereist – wonach die genauen Eigenschaften der genauen Mechanismen der Sonne zum Erwärmen und Beschleunigen des Sonnenwinds bereits verblasst und teilweise gänzlich ausgelöscht sind. Je näher wir mit Sonden wie der PSP also der Quelle des Sonnenwinds kommen, umso genauer zeichnet sich ganz anderes Bild – das eines komplexen und aktiven Systems – ab. Und ein möglichst genaues Verständnis über diese Prozesse ist wichtig, da diese sich direkt auf unseren Planeten (und andere Planeten und Himmelskörper wie den Mond, Mars usw.) auswirken, indem sie schädliche Partikel in jenen Raum stoßen, in dem auch unsere Satelliten und Astronauten fliegen, hier Kommunikations- und Navigationssignale stören und sogar – wenn sie intensiv sind – Stromausfälle auslösen können.

Die jetzt veröffentlichten Daten beschreiben das Verhalten dieses ständigen Materialabflusses der Sonne, des sogenannten Sonnenwindes, der in Erdnähe mit dem natürlichen Magnetfeld unseres Planeten interagiert und hier die beschriebenen Effekte hervorrufen kann.

„Was auf der Sonne passiert, ist entscheidend, um zu verstehen, wie es den Raum um uns herum formt und beeinflusst“ erläutert die NASA-Pressemitteilung. „Das meiste Material, das der Sonne entweicht, ist Teil des Sonnenwinds, eines kontinuierlichen Abflusses von Sonnenmaterial, das das gesamte Sonnensystem flutet. Dieses ionisierte Gas (sog. Plasma), trägt das Magnetfeld der Sonne mit sich und führt es in einer gewaltigen Blase durch das Sonnensystem, die sich über mehr als 16 Milliarden Kilometer erstreckt.“

„Die jetzt beobachtete Komplexität der Korona ist überwältigend“, erklärt Stuart Bale von der University of California in Berkeley, Leiter der Parker Solar Probe-Instrumentenreihe (FIELDS), mit dem die Sonde die die Größe und Form elektrischer und magnetischer Felder der Sonne untersucht.

Wie die Sonne selbst, so besteht auch der Sonnenwind aus Plasma, in dem sich negativ geladene Elektronen von positiv geladenen Ionen getrennt haben, wodurch ein Meer frei schwebender Teilchen mit individueller elektrischer Ladung entsteht. Diese freischwebenden Teilchen bedeuten, dass Plasma elektrische und magnetische Felder trägt. Änderungen innerhalb dieses Plasmas hinterlassen Marker in diesen Feldern. Die FIELDS-Instrumente an Bord der Parker-Sonde untersuchten den Zustand des Sonnenwinds, indem sie die zeitlichen Veränderungen der elektrischen und magnetischen Felder um das Raumfahrzeug, sowie die Wellen im nahe gelegenen Plasma messen und analysierten.

Diese Messungen zeigen nun schnelle Umkehrungen des Magnetfelds und plötzliche, sich schneller bewegende Materiestrahlen. Hierbei handelt es sich um Eigenschaften, die den Sonnenwind turbulenter machen. Die Sonnenforscher sehen darin einen Schlüssel zum Verständnis dafür, wie der Sonnenwind selbst Energie verteilt, wenn er von der Sonne weg und durch das Sonnensystem strömt.

Im Magnetfeld, das von der Sonne eingebettet in den Sonnenwind ausgeht, offenbaren die neuen Daten Umkehrungen – sogenannte Switchbacks – die zwischen wenigen Sekunden und mehreren Minuten andauern können. Während eines solchen „Switchbacks“ peitscht das Magnetfeld sozusagen auf sich selbst zurück, bis es fast direkt auf die Sonne gerichtet ist. “Wir beobachten hier Überreste von Strukturen der Sonne, die in den Weltraum geschleudert werden und so die Organisation der Sonnenströme und des Magnetfelds gewaltsam verändern. Diese Erkenntnis wird unsere Theorien zur Erwärmung der Korona und des Sonnenwindes dramatisch verändern“, erläutert Justin Kasper, einer der PSP-Hauptuntersucher von der University of Michigan.

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Die genaue Ursache der „Switchbacks“ sei zwar noch verstanden, aber die Messungen der Sonde erlauben es den NASA-Wissenschaftlern schon jetzt, die Möglichkeiten einzugrenzen: „Unter den vielen Teilchen, die ständig von der Sonne aus strömen, befindet sich ein konstanter Strahl sich schnell bewegender Elektronen, die entlang der Magnetfeldlinien der Sonne in das Sonnensystem gelangen. Diese Elektronen fließen immer streng entlang der Form der Feldlinien, die von der Sonne ausgehen, unabhängig davon, ob der Nordpol des Magnetfelds in dieser bestimmten Region zur Sonne hin oder von dieser weg weist. Die Parker Solar Probe hat diesen Elektronenfluss auch in die entgegengesetzte Richtung (zurück zur Sonne) gemessen. Dies zeigt, dass sich das Magnetfeld selbst zurück zur Sonne biegen muss. Das deutet wiederum darauf hin, dass es sich bei diesen Switchbacks um Knicke im Magnetfeld handelt – lokalisierte Störungen, die sich von der Sonne entfernen – und nicht um eine Änderung des Magnetfelds, wenn es von der Sonne ausgeht.“

Die Switchback-Beobachtungen legen also nahe, dass diese Ereignisse noch häufiger auftreten werden, je mehr sich die Sonde der Sonne nähert. Die nächste Annäherung, die für den 29. Januar 2020 geplant ist, wird das Raumschiff dann noch näher als je zuvor an die Sonne heranführen und möglicherweise ein neues Licht auf diesen Prozess werfen.

Die Informationen tragen nicht nur dazu bei, unser Verständnis der Ursachen des Sonnenwinds und des Weltraumwetters um uns herum zu ändern, sondern helfen auch, jenen grundlegenden Prozess zu verstehen, wie sonnenähnliche Sterne funktionieren und wie sie Energie an und in ihre Umgebung abgeben.

Andere Messungen der „Parker Solar Probe“ bringen die Wissenschaftler hingegen schon jetzt den Antworten auf jahrzehntealte Fragen näher. Eine dieser Fragen ist die, wie genau der Sonnenwind von der Sonne ausgeht:

„In der Nähe der Erde sehen wir den Sonnenwind fast radial – das heißt, er strömt direkt von der Sonne in alle Richtungen. Aber die Sonne dreht sich auch, während sie den Sonnenwind freigibt. Bevor er sich löst, wirbelt der Sonnenwind aufgrund dieser Rotation, ähnlich wie Kinder auf einem Karussell: Die Atmosphäre dreht sich mit der Sonne, so wie sich der äußere Teil des Karussells dreht. Aber je weiter Sie vom Zentrum entfernt sind, desto schneller bewegen Sie sich im Raum. Ein Kind am Rand könnte abspringen und sich an diesem Punkt in einer geraden Linie bewegen, anstatt sich weiter zu drehen. In ähnlicher Weise gibt es irgendwann einen Punkt zwischen Sonne und Erde, an dem der Sonnenwind von einer der Sonne selbst folgenden Rotation zu einer direkten Strömung nach außen oder radial wird – so , wie wir dies von der Erde aus sehen.“

animated illustration of solar switchbacks

Animation der von der rotierenden Sonne ausgesandten Sonnenwind-Partikel (Illu.).
Copyright: NASA, Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab/Adriana Manrique Gutierrez

Wo genau der Sonnenwind von einer Rotationsströmung zu einer perfekt radialen Strömung übergeht, hat nun aber Auswirkungen darauf, wie die Sonne Energie abgibt. „Wenn wir diesen Punkt finden, können wir den Lebenszyklus anderer Sterne oder die Bildung protoplanetarer Scheiben, der dichten Gas- und Staubscheiben um junge Sterne, die schließlich zu Planeten verschmelzen, besser verstehen“, erläutern die NASA-Wissenschaftler.

Zum ersten gelang es nun mit der Parker-Sonde den Sonnenwind beobachten, während er sich noch drehte, anstatt nur die gerade Strömung zu beobachten, die wir sie in der Nähe der Erde sehen: „Es ist, als hätte PSP sozusagen zum ersten Mal direkt einen Blick auf das rotierende Karussell selbst und nicht nur auf die von ihm abspringenden Kinder gehabt“. Das Sonnenwindinstrument der Sonde erkannte eine Rotation, die mehr als 32 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt begann. Als sich Parker dann seinem Perihelpunkt näherte, erhöhte sich die Rotationsgeschwindigkeit. Die Zirkulationsstärke war stärker als von vielen Wissenschaftlern vorhergesagt, ging aber auch schneller als vorhergesagt in eine vertikale Strömung über. “Der große Rotationsfluss des Sonnenwinds während der ersten Begegnungen war eine echte Überraschung”, erläutert Kasper. “Während wir gehofft hatten, irgendwann eine Rotationsbewegung näher an der Sonne zu sehen, sind die hohen Geschwindigkeiten, die wir bei diesen ersten Begegnungen beobachtet haben, fast zehnmal größer als von den Standardmodellen vorhergesagt.”

Eine weitere Frage, die sich mit den neuen Daten einer Antwort nähert, ist die nach der bislang nur schwer fassbaren, staubfreien Zone um unsere Sonne: „Unser Sonnensystem ist voller Staub – die kosmischen Krümel von Kollisionen, aus denen vor Milliarden von Jahren Planeten, Asteroiden, Kometen und andere Himmelskörper entstanden“, so die NASA. „Wissenschaftler haben lange vermutet, dass dieser Staub in der Nähe der Sonne durch starkes Sonnenlicht auf hohe Temperaturen erhitzt und in ein Gas umgewandelt werden könnte und so eine staubfreie Region um die Sonne entstehen würde. Beobachtet wurde eine solche Region bislang allerdings noch nie.“

Mit den bildgebenden Systemen an Bord der Parker-Sonde ist es nun erstmals gelungen, kosmischen Staub direkt zu detektieren. Das WISPR-Instrument ist in der Lage, weite Bereiche der Korona und des Sonnenwinds zu beobachten, einschließlich Regionen, die näher an der Sonne liegen. Die Aufnahmen zeigen nun Staub, der etwas mehr als 11 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt zu dünnen beginnt. Dieser Staubrückgang hält stetig bis zu den derzeitigen Grenzen der WISPR-Messungen in etwas mehr als 6 Millionen Kilometern Entfernung von der Sonne an.

Die PSP sah kosmischen Staub (hier grafisch abgebildet), der in unserem Sonnensystem verstreut ist und sich in der Nähe der Sonne auszudünnen beginnt, was die Idee einer lang theoretisierten staubfreien Zone in der Nähe der Sonne bestätigt (Illu.). Copyright: Goddard Space Flight Center der NASA / Scott Wiessinger

Die PSP sah kosmischen Staub (hier grafisch abgebildet), der in unserem Sonnensystem verstreut ist und sich in der Nähe der Sonne auszudünnen beginnt, was die Idee einer lang theoretisierten staubfreien Zone in der Nähe der Sonne bestätigt (Illu.).
Copyright: Goddard Space Flight Center der NASA / Scott Wiessinger

Anhand der nun gemessenen Ausdünnung erwarten die Wissenschaftler, dass eine wirklich staubfreie Zone etwas mehr als 3-5 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt beginnt. Das würde bedeuten, dass Parker die staubfreie Zone bereits 2020 direkt beobachten könnte.

Laut NASA eröffnen die Parker-Messungen eine neue Perspektive auf zwei Arten von Weltraumwetterereignissen: Energetische Partikelstürme und koronaler Massenauswürfe (coronal mass ejections, CMEs).

Winzige Teilchen – sowohl Elektronen als auch Ionen – werden durch Sonnenaktivität beschleunigt und erzeugen Stürme energetischer Teilchen. Ereignisse auf der Sonne können diese Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in das Sonnensystem schleudern. Auf diese Weise erreichen sie die Erde in weniger als einer halben Stunde und können so auch andere Planeten und Monde in ähnlich kurzer Zeit treffen. Diese Teilchen beinhalten viel Energie, so dass sie die Elektronik von Raumfahrzeugen beschädigen und sogar Astronauten gefährden können – besonders jene im Weltraum, die sich nicht (wie etwa an Bord der ISS) noch im Schutz des Erdmagnetfelds befinden. Es sei vor allem diese kurze Vorwarnzeit, die es so schwierig macht, diesen Partikelströmen zu entgehen, so die NASA.

„Es ist also von entscheidender Bedeutung, genau zu verstehen, wie diese Partikel auf so hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden“, erklärt das Parker-Team und fügt hinzu: „Aber auch wenn sie binnen weniger Minuten auf der Erde treffen, ist das noch genug Zeit, damit die Partikel selbst die ursprünglichen Merkmale jener Prozesse verlieren, die sie einst überhaupt beschleunigt haben. Durch das Umrunden der Sonne in nur wenigen Millionen Kilometern Entfernung kann die „Parker Solar Probe“ diese Partikel unmittelbar nach dem Verlassen der Sonne messen und so neue Erkenntnisse darüber gewinnen, wie sie freigesetzt werden.“

Schon jetzt haben die von der Princeton University geleiteten ISʘIS-Instrumente an Bord der Sonde mehrere noch nie dagewesene energetische Partikelereignisse gemessen – Ereignisse, die so klein sind, dass alle Spuren verloren gehen, bevor sie die Erde oder einen unserer erdnahen Satelliten erreichen. Diese Instrumente haben auch eine seltene Art von Partikelexplosion mit einer besonders hohen Anzahl schwererer Elemente gemessen – was darauf hindeutet, dass beide Arten von Ereignissen häufiger auftreten, als die Wissenschaftler dies bisher angenommen hatten.

“Es ist erstaunlich, dass die Sonne selbst unter Minimalbedingungen viel mehr winzige energetische Partikelereignisse erzeugt, als wir jemals gedacht haben”, erklärt der ISOIS -Hauptuntersucher David McComas. “Diese Messungen werden uns helfen, die Quellen, die Beschleunigung und den Transport von energetischen Sonnenteilchen zu entschlüsseln und Satelliten und Astronauten in Zukunft besser zu schützen.”

Auch Daten aus den WISPR-Instrumenten liefern Details zu Strukturen in der Korona und im Sonnenwind – einschließlich koronaler Massenauswürfe und Milliarden Tonnen an Wolken aus Sonnenmaterial, die die Sonne ins Sonnensystem schleudert. CMEs können eine Reihe von Effekten auf die Erde und anderen Welten auslösen, von leuchtenden Polarlichtern bis hin zur Induktion elektrischer Ströme, die Stromnetze und Kommunikationsnetzwerke beschädigen können.

“Da Parker der Sonnenrotation folgte, konnten wir tagelang den Materialfluss beobachten und die Entwicklung der Strukturen direkt beobachten”, erläutert Howard. “Beobachtungen in der Nähe der Erde haben uns glauben lassen, dass feine Strukturen in der Korona sich zu einem reibungslosen Fluss vereinigen. Jetzt haben wir aber festgestellt, dass dies nicht zutrifft. Jetzt können wir sehr viel besser modellieren, wie sich Ereignisse zwischen Sonne und Erde bewegen.”

Während die „Parker Solar Probe“ ihre Reise fortsetzt, wird sie sich der Sonne in zunehmend kürzeren Entfernungen noch 21 Mal annähern, was dann in drei Umrundungen führt, die nur 5,3 Millionen Kilometer von der Sonnenoberfläche entfernt verlaufen.

“Die Sonne ist der einzige Stern, den wir genau untersuchen können”, sagte Nicola Fox, Direktor der Abteilung für Heliophysik am Hauptquartier der NASA abschließend. „Daten von der Quelle zu haben, revolutioniert schon jetzt unser Verständnis über unseren Mutterstern, aber auch das zu anderen Sterne im Universum. Unser kleines Raumschiff macht sich unter brutalen Bedingungen auf den Weg, um überraschende und aufregende Enthüllungen nach Hause zu schicken.“

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Quelle: NASA

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