Solar Orbiter

Europa zur Sonne

Von Sibylle Anderl
Aktualisiert am 14.02.2020
 - 09:50
Mission mit komplexer Instrumentierung: Der Solar Orbiter vermisst nicht nur die Umgebung der Sonne, sondern hat auch verschiedene Kameras an Bord.zur Bildergalerie
Rätselhafter Heimatstern: Die Esa setzt mit dem Start des Solar Orbiter eine eindrucksvolle Tradition von Sonnenmissionen fort und wird Daten liefern, die andere Programme sinnvoll ergänzen.

Europa hat eine neue Sonnensonde: Am Montagmorgen um 5.03 Uhr mitteleuropäischer Zeit wurde in Cape Canaveral mit einer Atlas-V-Rakete der „Solar Orbiter“ der Europäischen Weltraumorganisation Esa gestartet. Mit ihr wollen europäische Astronomen die Funktionsweisen unseres Sonnensystems besser verstehen – eines der vier großen Vorhaben, in die die Esa 2005 ihre „Cosmic Vision“ für die astronomische Forschung für die Jahre 2015 bis 2025 gegliedert hat. Das Projekt mittlerer Größe soll neue Erkenntnisse darüber liefern, wie die Sonne das Sonnensystem anhand ihres Magnetfeldes, ihres Sonnenwinds und ihrer wiederkehrenden Eruptionen prägt und beeinflusst – nicht nur, um unsere eigene Heimat besser zu verstehen, sondern auch, um die allgemein gültigen physikalischen Grundlagen der Wechselwirkung zwischen einem Stern und seinen Planeten an dem uns am besten zugänglichen System zu studieren.

Die Sonne ist dabei eines derjenigen Phänomene, das uns einerseits aus unserem Alltag so vertraut ist wie kaum ein anderes, über das uns andererseits moderne Wissenschaft und Technik ein Bild geliefert haben, das sich von unserer Wahrnehmung deutlich unterscheidet. So erfahren wir Menschen die Sonne seit jeher als weitgehend ruhige und verlässliche Energiequelle, doch wenn wir hochauflösende Teleskope auf sie richten, erblicken wir eine in ständigem Aufruhr brodelnde, unruhige Oberfläche, geprägt von Sonneneruptionen und Teilchenstürmen.

Der Weg zu einem solch dynamischen Bild unseres Heimatsterns nahm einige Zeit in Anspruch. Die direkte Erfahrung der Sonne, und mit ihr auch die der Sterne, als ewige und unveränderliche Körper hatte sich früh im Aristotelischen Weltbild manifestiert und dominierte historisch lange den menschlichen Blick in den Himmel. Erst Tycho Brahes Beobachtung einer Sternexplosion 1572 und Willem Blaeus Entdeckung des Sterns P Cygni im Jahr 1600, dessen starker Sternwind für drastische Helligkeitsschwankungen sorgt, zeigten, wie sehr dieses statische Bild der Sterne in die Irre führt. Dass dies ebenso für unsere Sonne gilt, obwohl sie sich als relativ leichter Hauptreihenstern in der äußerst stabilen und langlebigen Phase des Wasserstoffbrennens befindet, wissen wir heute auch aus leidiger Erfahrung: Sonnenaktivität hat einigen Einfluss auf unsere irdische Elektrotechnik. Navigationssysteme, Funkverkehr und Stromnetzwerke sind gefährdet, wenn starke Sonneneruptionen geladene Teilchen in Richtung Erde senden.

Ein neuer Blick auf die Sonne

Das Phänomen der Sonnenwinde wurde allerdings erst vor rund 60 Jahren zum ersten Mal mit einem theoretischen Modell beschrieben. Der amerikanische Astronom Eugene Parker untersuchte 1958 die dynamischen Konsequenzen der damals vom deutschen Astronomen Ludwig Biermann aufgestellten Hypothese, dass von der Sonne kontinuierlich Gas mit Geschwindigkeiten von einigen hundert Kilometern pro Sekunde in den interplanetaren Raum ausgestoßen wird – eine Behauptung, die sich aus den beobachteten Ausrichtungen der Schweife von Kometen ergab, die stets von der Sonne weg zeigen.

Für Parker ergaben sich aus dieser Hypothese zahlreiche Fragen: Welcher physikalische Mechanismus steckt hinter diesem konstanten Massenverlust? Wie sieht das Magnetfeld der Sonne aus, das anhand seiner Feldlinien die Ausbreitung geladener Teilchen steuert und gleichzeitig von sich bewegenden Teilchen mitgerissen wird? Um die Sonne mathematisch in den Griff zu bekommen, musste Parker mit drastisch vereinfachenden Annahmen arbeiten: Er beschrieb den Wind wie eine Flüssigkeit. Sein Artikel endet mit einer Warnung an den Leser, nicht „irgendeines der geglätteten und idealisierten Modelle zu wörtlich zu nehmen, die in diesem Artikel entwickelt wurden“. Doch selbst diese Warnung konnte viele der Leser des 31-Jährigen nicht milde stimmen: Die Idee, dass von der Sonne Materie ausgestoßen wird, die sich verhält wie strömendes Wasser, traf zunächst auf verbreiteten Unglauben.

Dass Parker mit seinen Berechnungen aber erstaunlich richtig lag, obwohl die Flüssigkeits-Näherung streng genommen nicht korrekt ist, zeigten in den folgenden Jahren die Aufzeichnungen zahlreicher Sonnenmissionen. Nachdem die russische Sonde „Luna 1“ 1959 und die Nasa-Sonde „Mariner 2“ im Jahr 1962 die Teilchen des Sonnenwinds erstmalig messen konnten, brachten die nahe der Erdbahn um die Sonne kreisenden „Pioneer“-Sonden 6 bis 9 umfassende Informationen über das solare „Weltraumwetter“. Die 1974 und 1976 gestarteten und in der Bundesrepublik gebauten Helios-Raumsonden drangen als erste ins Innere der Merkurbahn vor und erkundeten dort den sonnennahen interplanetaren Raum.

Wie in einem kochenden Wassertopf

Bis dahin hatte man sich der Sonne nur aus der Ekliptik, der Ebene, in der sich die Planeten bewegen, genähert. Dies änderte sich mit der 1990 gestarteten europäisch-amerikanischen „Ulysses“-Sonde, die die physikalischen Bedingungen oberhalb der Pole der Sonne erforschen sollte. Dafür musste sie anhand eines „Swing-By“Manövers im Gravitationsfeld des Jupiters dazu gebracht werden, einen stark geneigten und elliptischen Orbit um die Sonne einzunehmen. Die Mission brachte insbesondere neue Erkenntnisse über den solaren Aktivitätszyklus und die Unterschiede zwischen dessen Minima und Maxima, indem sie oberhalb der Pole das Magnetfeld und die Eigenschaften des Plasmas vermaß.

Die 1995 von den amerikanischen und europäischen Weltraumorganisationen Nasa und Esa gestartete und immer noch betriebene „Soho“-Sonde blieb dagegen am relativ erdnahen Lagrange-Punkt L1 – dort können sich Körper im Gravitationsfeld von Sonne und Erde kräftefrei bewegen –, um dort einerseits vor Ort Messungen des Sonnenwindes durchzuführen und andererseits von Weitem die Sonne zu beobachten. Dabei leistete die Sonde Pionierarbeit im Bereich der weltraumbasierten Helioseismologie – der Analyse der Eigenschwingungen der Sonne. Mit diesem Verfahren kann sie Informationen aus dem Inneren der Sonne erlangen, während sie gleichzeitig mit klassischen Beobachtungen die Vorgänge in der äußeren Atmosphäre verfolgt.

Der jüngste Vorgänger des Solar Orbiters – und in vielerlei Hinsicht seine Komplementärmission – wurde 2018 von der Nasa mit der „Parker Solar Probe“ (PSP) auf den Weg geschickt, um nicht nur als bislang schnellstes vom Menschen geschaffenes Objekt einen Rekord aufzustellen, sondern sich außerdem der Sonne weiter zu nähern als je eine Sonde zuvor. Bei einem minimalen Abstand vom Sonnenmittelpunkt von unter zehn Sonnenradien fliegt sie durch das heiße Gas der äußeren Atmosphäre, der Korona. Dort führt sie eine Vielzahl von Messungen durch, unter anderem, um den dort auftretenden Wärme- und Energietransport zu studieren – und ehrt mit ihrem Namen den Pionier der Sonnenwind-Studien.

Unser heutiges Wissen über unseren Heimatstern hat von diesen und weiteren Missionen bereits stark profitiert: Die Energie, die die Sonne in ihrem Kern durch die Fusion von Wasserstoff erzeugt, wird zunächst als Wärmestrahlung nach außen transportiert, bevor Konvektion, also vertikale Gasbewegungen wie in einem Topf kochenden Wassers, diesen Transport übernimmt. Die Zellen, die sich durch das an die Sonnenoberfläche quellende und wieder herabsinkende Gas bilden, können wir als Granulation in der rund 5500 Grad heißen Photosphäre, der sichtbaren Sonnenoberfläche, beobachten. Kühlere Gebiete dort erscheinen als Sonnenflecken, die von starken Magnetfeldern durchsetzt sind. Ihre Häufigkeit folgt einem Zyklus von durchschnittlich elf Jahren, bestimmt durch die Dynamik des Magnetfeldes.

Sonnenwind in drei Dimensionen

Darüber folgen die sehr viel weniger dichte Chromosphäre und schließlich die einige Millionen Grad heiße und von Magnetfeldern dominierte Korona, die bei einer Sonnenfinsternis als Strahlenkranz sichtbar wird. Auch hier gibt es kältere Bereiche, die als koronale Löcher bezeichnet werden. Von der Korona geht der Sonnenwind aus, der Elektronen und Atomkerne durch das gesamte Sonnensystem transportiert und der in einer langsamen und einer schnellen Variante existiert. Koronale Löcher sind der Ursprungsort der schnelleren Winde. Materie wird außerdem in gewaltigen Eruptionen ins Sonnensystem geschleudert, gesteuert von den komplizierten Wechselwirkungen zwischen dem veränderlichen Magnetfeld und dem Sonnenplasma. Die Details dieser Wechselwirkung und die Entstehung und Entwicklung des solaren Magnetfelds selbst werfen aber nach wie vor viele Fragen auf.

Was wird nun der Solar Orbiter zu diesem Wissen beitragen können? Wie Ulysses wird die Mission sich aus der Ekliptik herausbewegen – hier nach mehreren Vorbeiflügen an der Venus – und so am Ende der Mission erstmalig die Sonnenpole mit Kameras beobachten können. Dabei wird die Sonde der Sonne zwar relativ nah kommen, aber trotzdem sehr viel mehr Abstand halten als die PSP: Die maximale Annäherung an die Sonne wird etwas mehr als einem Viertel des Abstands zwischen Sonne und Erde entsprechen. Der Solar Orbiter wird damit die PSP nicht nur ergänzen, sondern auch „das Auge“ der PSP sein: Während deren Schwerpunkt auf der Vermessung der physikalischen Eigenschaften an ihrem jeweiligen Aufenthaltsort liegt (in situ), besteht die Stärke des Solar Orbiter darin, In-situ-Messungen mit Fernbeobachtungen der Sonne kombinieren zu können.

Das Auge der Parker Solar Probe

„Solar Orbiter wird die Region, durch die die PSP fliegt, mit optischen Instrumenten beobachten können“, erläutert Eckart Marsch von der Universität Kiel, der das Projekt über zwanzig Jahre seit seiner Entstehung in den späten neunziger Jahren begleitet hat. Obwohl die PSP bereits 2018 gestartet ist, passt glücklicherweise auch das Timing mit dem Solar Orbiter: „Bis die PSP den innersten und damit interessantesten Bereich der Korona erreicht, dauert es noch sechs Jahre. Bis dahin wird der Solar Orbiter sich auch schon aus der Ekliptik herausbewegt haben“, so Marsch. Die Kombination beider Beobachtungspositionen werde dann, so die Hoffnung, erstmalig dreidimensionale Informationen über die Quellen und die Ausbreitung des Sonnenwindes liefern.

Zu diesem Zweck führt der Orbiter zehn verschiedene Instrumente mit sich, an sechs sind deutsche Wissenschaftler an der Universität Kiel, am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, am Potsdamer Leibniz-Institut für Astrophysik und am Freiburger Leibniz-Institut für Sonnenphysik beteiligt. „Wahrscheinlich stellen diese Instrumente eine der komplexesten Nutzlasten einer Mission dar, die jemals zusammengestellt wurde“, sagt Richard Marsden, der als Missionsmanager und Projektwissenschaftler die Ulysses-Mission geleitet hat und wie Marsch am Solar Orbiter seit der ersten Idee beteiligt war. Zum einen hätten Kameraexperimente andere Anforderungen als In-situ-Messungen: Erstere benötigen eine möglichst ruhige Ausrichtung, während letztere Bewegung mögen, um ein größeres Raumvolumen abdecken zu können – so wie beispielsweise die rotierende Ulysses-Sonde. Kameras benötigen freie Sicht, In-situ-Experimente können abgeschirmt werden.

Gleichzeitig müssen die Instrumente untereinander kommunizieren können: Wenn die optischen Instrumente etwas Interessantes registrieren, sollten die In-situ-Instrumente in einen passenden Modus versetzt werden. Dies muss automatisch passieren, denn die Sonde befindet sich oft sehr weit entfernt von der Erde oder auch jenseits der Sonne, so dass Kommunikation unmöglich ist. Diese Tatsache stellte auch eine große Herausforderung für das Instrumentendesign dar, da die Datenübertragungsraten im Vergleich zu einer erdnahen Mission stark begrenzt sind. Marsden ist überzeugt, dass sich der Aufwand gelohnt hat: „Mit der PSP eine Sonde in großer Nähe zur Sonne zu haben, selbst mit limitierter Instrumentierung, zusammen mit dem Solar Orbiter, wird phantastisch werden.“ Bis feststeht, dass alles wie erhofft funktioniert, müssen die Wissenschaftler nun aber erst einmal abwarten: Erst Mitte Mai sollen alle In-situ-Experimente voll einsatzfähig sein, bis alle zehn Instrumente einschließlich der Kameras funktionieren, wird es sogar noch bis zum November kommenden Jahres dauern.

Quelle: F.A.Z.
Autorenbild/ Sybille Anderl
Sibylle Anderl
Redakteurin im Feuilleton.
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