Solar Orbiter: Bilder werden zu Physik
Die jüngsten Ergebnisse der Solar Orbiter-Mission zeigen erstmals direkte Zusammenhänge zwischen den Ereignissen auf der Sonnenoberfläche und dem, was im interplanetaren Raum rund um die Raumsonde geschieht. Sie gewähren uns auch neue Einblicke in solare „Lagerfeuer“, das kosmische Wettergeschehen und zerfallene Kometen.
„Ich bin mehr als zufrieden mit der Leistung des Solar Orbiter und den verschiedenen Teams, die ihn und seine Instrumente in Betrieb halten“, sagt Daniel Müller, Solar Orbiter-Projektwissenschaftler der ESA.
„Es war eine echte Teamleistung unter schwierigen Umständen in diesem Jahr, und jetzt sehen wir allmählich, dass sich diese Anstrengungen wirklich auszahlen.“
Die zehn wissenschaftlichen Instrumente des Solar Orbiter teilen sich in zwei Gruppen auf. Es gibt sechs Fernerkundungsteleskope und vier In-situ-Instrumente. Die Fernerkundungsinstrumente untersuchen die Oberfläche der Sonne und ihre erweiterte Atmosphäre, die Korona. Die In-situ-Instrumente messen die von der Sonne freigesetzten Partikel rund um die Raumsonde, den Sonnenwind, zusammen mit ihren magnetischen und elektrischen Feldern. Die Rückverfolgung des Ursprungs dieser Teilchen und Felder bis zur Sonnenoberfläche ist eines der Hauptziele des Solar Orbiter.
Während des ersten Nahvorbeiflugs des Solar Orbiter an der Sonne am 15. Juni, bei dem sich die Sonde der Sonne auf 77 Millionen Kilometer näherte, zeichneten sowohl Fernerkundungs- als auch In-situ-Instrumente Daten auf.
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Fußabdruck des Sonnenwindes
Mithilfe der Messdaten des Solar Orbiter konnte die Ursprungsregion des Sonnenwinds, der auf die Sonde trifft, ermittelt und dieser sogenannte "Fußabdruck" in den Fernerkundungsbildern identifiziert werden. In einem Beispiel, das im Juni 2020 untersucht wurde, ist der Fußabdruck am Rand einer Region zu sehen, die als „koronales Loch“ bezeichnet wird, bei dem das Magnetfeld der Sonne in den Weltraum hinausreicht, so dass der Sonnenwind austreten kann.
Auch wenn es sich dabei um eine vorläufige Studie handelt, geht sie doch über alles hinaus, was bisher möglich war.
„Wir waren noch nie in der Lage, eine so genaue Kartierung durchzuführen“, sagt Tim Horbury vom Imperial College in London und Vorsitzender der In-Situ-Arbeitsgruppe Solar Orbiter.
Lagerfeuer-Physik
Der Solar Orbiter hat auch neue Informationen über die „Lagerfeuer“ der Sonne gesammelt, die Anfang dieses Jahres weltweite Aufmerksamkeit erregten.
Die ersten Bilder der Mission zeigten eine Vielzahl von scheinbar winzigen Sonneneruptionen, die auf der Sonnenoberfläche auftreten. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nannten sie Lagerfeuer, weil die genaue Energie, die mit diesen Ereignissen verbunden ist, noch nicht bekannt ist. Ohne Kenntnis dieser Energie ist noch nicht klar, ob es sich um dasselbe Phänomen handelt wie bei ähnlichen kleineren Eruptionen, die bei anderen Missionen beobachtet wurden. Was das Ganze so faszinierend macht, ist die Tatsache, dass man zwar seit langem von der Existenz solch kleiner „Nano-Eruptionen“ auf der Sonne wusste, doch hatten wir bisher noch nie die Mittel, so kleine Erscheinungen zu sehen.
„Die Lagerfeuer könnten die Nano-Eruptionen sein, die wir mit dem Solar Orbiter erforschen“, sagt Frédéric Auchère vom Institut d'Astrophysique Spatiale in Orsay, Frankreich, und Vorsitzender der Arbeitsgruppe für Fernerkundung der Solar Orbiter-Mission.
Dies ist bedeutsam, da von den Nano-Eruptionen angenommen wird, dass sie für die Erhitzung der Korona, also der äußeren Sonnenatmosphäre, verantwortlich sind. Hinzu kommt die Besonderheit, dass die Korona etwa eine Million Grad Celsius aufweist, doch auf der Oberfläche nur etwa 5000 Grad Celsius erreicht werden. Dies ist bis heute eine der rätselhaftesten Fragen der Sonnenphysik. Die Erforschung dieses Geheimnisses ist eines der zentralen wissenschaftlichen Ziele des Solar Orbiter.
Um dieser Frage auf den Grund zu gehen, haben Forscherinnen und Forscher Daten analysiert, die mit dem Instrument SPICE (Spectral Imaging of the Coronal Environment) des Solar Orbiter gewonnen wurden. SPICE wurde konzipiert, um die Geschwindigkeit des Gases an der Sonnenoberfläche zu ermitteln. Es hat sich gezeigt, dass es tatsächlich kleinere Ereignisse gibt, bei denen das Gas mit erheblicher Geschwindigkeit ausströmt, aber die Frage nach einem Zusammenhang mit den Lagerfeuern ist nach wie vor offen.
„Im Moment haben wir nur Daten aus der Inbetriebnahme, die zu einem Zeitpunkt gewonnen wurden, als die Teams noch dabei waren, das Verhalten ihrer Instrumente im Weltraum zu testen. Daher sind die Ergebnisse sehr vorläufig. Aber natürlich sehen wir sehr spannende Dinge“, sagt Auchère. „Beim Solar Orbiter dreht sich alles um Entdeckungen, und das ist sehr faszinierend.“
Surfen auf dem Kometenschweif
Neben den Fortschritten im Hinblick auf die geplanten wissenschaftlichen Ziele des Solar Orbiter gab es auch Zufallsentdeckungen von der Raumsonde.
Kurz nach dem Start des Solar Orbiter wurde festgestellt, dass er hinter dem Kometen ATLAS fliegen und dessen beiden Schweife passieren würde. Obwohl eine solche Begegnung in der Mission nicht vorgesehen war und zu diesem Zeitpunkt noch keine Forschungsdaten erhoben werden sollten, setzten die Expertinnen und Experten alles daran, dass die In-situ-Instrumente diese einzigartige Begegnung aufzeichneten.
Doch die Natur hielt noch eine weitere Überraschung bereit: Der Komet zerfiel, bevor sich die Raumsonde ihm nähern konnte. Daher war es trotz der erhofften starken Signale von den Schweifen nicht auszuschließen, dass die Raumsonde überhaupt nichts sehen würde.
Das war jedoch nicht der Fall. Der Solar Orbiter zeichnete zwar charakteristische Daten von dem Kometen ATLAS auf, konnte aber keine Phänomene feststellen, die die Wissenschaftler normalerweise erwartet hätten. Statt einer starken, einzelnen Schweifüberquerung entdeckte die Raumsonde zahlreiche Wellenepisoden in den magnetischen Daten. Es wurden auch Bereiche von Staubteilchen entdeckt, die wahrscheinlich aus dem Inneren des Kometen freigesetzt wurden, als dieser in viele kleine Stücke zerfiel.
„Dies ist das erste Mal, dass wir im Wesentlichen durch den Schweif eines zerfallenden Kometen geflogen sind“, sagt Horbury. „Es gibt dort eine Menge wirklich interessanter Daten, und es ist ein weiteres Beispiel für die Art von qualitativ hochwertiger begleitender Forschung, die wir mit dem Solar Orbiter verwirklichen können.“
Verborgenes Weltraumwetter
Der Solar Orbiter hat während eines Großteils seiner Zeit im Weltraum den Sonnenwind gemessen und eine Reihe von Teilchenauswürfen von der Sonne aufgezeichnet. Dann, am 19. April, fegte ein besonders interessanter koronaler Massenauswurf über den Solar Orbiter hinweg.
Ein koronaler Massenauswurf (coronal mass ejection, CME), ist ein großes kosmisches Wetterereignis, bei dem Milliarden von Tonnen von Teilchen durch die äußere Atmosphäre der Sonne ausgestoßen werden. Während dieses speziellen Massenauswurfs, der sich am 14. April auf der Sonne ereignete, hatte der Solar Orbiter etwa zwanzig Prozent seines Weges von der Erde zur Sonne zurückgelegt.
Doch der Solar Orbiter war nicht die einzige Raumsonde, die dieses Ereignis beobachtete. Zu dieser Zeit flog auch zufällig die BepiColombo-Mission der ESA auf ihrem Weg zum Merkur an der Erde vorbei. Ebenso die Sonnenmission STEREO der NASA, die etwa neunzig Grad von der direkten Sonne-Erde-Linie entfernt war und direkte Sicht auf den Bereich des Massenauswurfs hatte. Dadurch war sie in der Lage, die Auswirkungen des CME auf den Solar Orbiter, auf BepiColombo und die Erde zu beobachten. Durch die Zusammenführung der verschiedenen Messungen der einzelnen Raumsonden waren die Forscherteams in der Lage, die Entwicklung des koronalen Massenausstoßes auf seiner Reise durch den Weltraum zu untersuchen.
Dies wird auch als Mehrpunktwissenschaft bezeichnet. Dank der Anzahl der Raumsonden, die sich jetzt im inneren Sonnensystem befinden, wird sie zu einem immer leistungsfähigeren Instrument bei der Forschung zum Verständnis der Sonnenwinde und des Weltraumwetters.
„Wir können Massenauswürfe aus der Ferne beobachten, wir können sie in-situ messen und wir können sehen, wie sie sich auf dem Weg zur Erde verändern,“ so Horbury.
Über das Ereignis, das die Raumsonden verfolgten, waren möglicherweise diejenigen ebenso fasziniert, die es nicht sahen. Das Weltraumobservatorium SOHO der ESA und NASA, das sich vor der Erde befindet und das die Sonne ständig auf solche Ausbrüche beobachtet, hat das Ereignis kaum registriert. Damit gehört das Ereignis vom 19. April zu einer seltenen Kategorie von kosmischen Wetterereignissen, die als verdeckte CME bezeichnet werden. Die Untersuchung dieser schwer fassbaren Phänomene wird uns zu einem besseren Verständnis der kosmischen Wettererscheinungen verhelfen.
In den kommenden Jahren werden die Möglichkeiten für die Mehrpunktwissenschaft zunehmen. Am 27. Dezember wird Solar Orbiter seinen ersten Venus-Vorbeiflug absolvieren. Bei diesem Vorhaben macht man sich die Schwerkraft des Planeten zunutze, damit die Raumsonde zusätzlichen Schwung erhält, um näher an die Sonne zu gelangen. Damit wird der Solar Orbiter eine noch bessere Position für gemeinsame Messungen mit der Parker-Sonde der NASA erreichen, die im Jahr 2021 ebenfalls zwei Venus-Vorbeiflüge durchführen wird.
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Während Parker In-situ-Messungen aus dem Inneren der Sonnenatmosphäre vornimmt, wird Solar Orbiter Bilder derselben Region aufnehmen. Zusammen werden die beiden Raumsonden sowohl die Details als auch ein umfassenderes Gesamtbild liefern.
„2021 wird eine spannende Zeit für den Solar Orbiter sein“, sagt Teresa Nieves-Chinchilla, Projektwissenschaftlerin für den Solar Orbiter bei der NASA. „Bis zum Ende des Jahres werden alle Instrumente in vollem Forschungsmodus zusammenarbeiten, und wir werden uns darauf vorbereiten, der Sonne noch näher zu kommen.“
Im Jahr 2022 wird sich der Solar Orbiter der Sonnenoberfläche bis auf 48 Millionen Kilometer nähern - nochmals 20 Millionen Kilometer näher als im Jahr 2021.