Vielen Dank für Ihre Registrierung. Sie haben jetzt den Aktivierungslink für Ihr Konto per E-Mail erhalten.

Ihr Konto ist aktiviert. Wir wünschen Ihnen viel Lesevergnügen.

Vielen Dank für Ihre Bestellung. Wir wünschen Ihnen viel Lesevergnügen.

Auf dem Weg zur Sonne - auch mit Schweizer Instrumenten

Die Solar-Orbiter-Expedition geht ganz nahe an die Sonne heran. Sie soll Aufschluss über die geheimnisvolle Heliosphäre geben. Beteiligt am Sonnenprojekt ist auch die Fachhochschule Nordwestschweiz.
Andreas Lorenz-Meyer
Eine Illustration zeigt den Solar Orbiter auf dem Weg zur Sonne. (Bild: ESA)

Eine Illustration zeigt den Solar Orbiter auf dem Weg zur Sonne. (Bild: ESA)

Unser Sonnensystem umfasst – neben der Sonne selbst – die Planeten, deren Satelliten, Zwergplaneten, Asteroiden, Meteoroiden, Kometen und jede Menge Gas- und Staubteilchen. Das alles ist in eine Plasmablase gehüllt, die Heliosphäre. Diese schirmt das Sonnensystem vor inter­stellarer Materie ab. Eine riesige, schützende Blase, die sich durch das Magnetfeld der Sonne und den Sonnenwind bildet. Welche Form die Heliosphäre hat, ist immer noch unklar. Man ging bisher von etwas Kometenförmigem mit einem lang gezogenen Schweif aus. Eine 2017 veröffentlichte Studie, die auf Daten der Nasa-Sonde Cassini basiert, zeichnet jedoch ein anderes Bild. Danach ist die Heliosphäre kugelförmig – von einem Schweif keine Spur.

Eine Reise über 150 Millionen Kilometer

Was nur ein Zwischenergebnis sein dürfte. Überhaupt gibt es noch viele ungeklärte Fragen in der Sonnensystemforschung. Solar Orbiter soll Antworten liefern. Die Raumsonde hätte längst unterwegs sein sollen. Doch die Europäische Raumfahrtagentur ESA verschob den Start auf Februar 2019 und noch einmal auf Februar 2020. Anfang nächsten Jahres geht die Sonde nun von Cape Canaveral aus an Bord einer Nasa-Trägerrakete auf die Reise.

Auf eine ziemlich lange, gut drei Jahre dauernde Reise. Solar Orbiter muss mehr als zwei Drittel der knapp 150 Millionen Kilo­meter überwinden, die zwischen Erde und Sonne liegen. Bis auf 0,28 Astronomische Einheiten (AE) nähert sie sich dem Zentralstern. Das entspricht 40 Millionen Kilometern.

Dass eine Sonde so nah an die Sonne heranfliegt, ist nichts Neues. Die Helios-Sonden erreichten vor gut 40 Jahren ähnliche Abstände. Die im Herbst startende Nasa-Sonde Parker ­Solar Probe wagt sich sogar bis auf sechs Millionen Kilometer heran. An Bord sind jedoch nur In-situ-Instrumente, welche die Umgebung an der Sonde messen. Es fehlen Remote-sensing-Instrumente, Teleskope oder Kameras, die direkt auf die Sonne schauen und Bilder übermitteln. Solar Orbiter kombiniert beides. «Das ist unser Alleinstellungsmerkmal», sagt Joachim Woch vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen. Woch hat den Bau eines der zehn Messinstrumente geleitet, des Polarimetric and Helioseismic Imager (PHI). Der bildgebende PHI schaut am tiefsten in die Sonne hinein. Er beobachtet die Photosphäre, die unterste Schicht der Sonnenatmosphäre, wie die äussere Gashülle des Sterns heisst.

Im Sonnenkern ist es 15 Millionen Grad heiss

Die Photosphäre bildet die sichtbare Oberfläche der Sonne – das, was wir von der Erde aus sehen. Dort geht es bei 6000 Grad Celsius ­regelrecht kühl zu im Vergleich zum Sonnenkern, wo es unvorstellbare 15 Millionen Grad heiss ist. Mit den PHI-Daten will man das solare Magnetfeld kartografieren. Lokale Störungen in diesem Magnetfeld verursachen die dunklen Sonnenflecken, deren Zahl und Grösse anzeigt, wie aktiv die Sonne ist. Durchschnittlich alle elf Jahre gibt es ein Maximum an Aktivität.

Gleich über dem PHI sitzt das Metis-Teleskop. Es dokumentiert die energetischen Prozesse in der Korona, dem Rand der Sonne, den wir nur bei totaler Sonnenfinsternis sehen können. Woch: «Dort verflüchtigt sich die Sonnenatmosphäre. Teilchen lösen sich ab und strömen als Sonnenwind in den interplanetaren Raum.»

Schweizer Instrument erkennt Sonneneruption

Auch Forscher der Fachhochschule Nordwestschweiz sind beteiligt. Sie konstruierten STIX. Das Teleskop untersucht die Röntgenstrahlung der Sonne. Diese lässt sich nicht mit einer normalen Glaslinse abbilden, da die Strahlung die Linse bloss durchdringen würde. Deshalb nutzt man den Moiré-Effekt. «Die Röntgenstrahlen der Sonne fallen durch ein Fenster auf zwei Wolfram-Gitter und produzieren so ein Schattenmuster im Röntgenlicht», erklärt Projektleiter Samuel Krucker. STIX registriert als erstes Instrument an Bord, wenn es auf der Sonne eine Eruption gibt – und informiert die anderen darüber.

Trotz 40 Millionen Kilometer Entfernung hat es die Sonde immer noch mit hohen Temperaturen zu tun. 600 Grad sind es auf der sonnenzugewandten Seite des Hitzeschildes. Besonders die bildgebenden Instrumente, die direkt in die Sonne schauen, müssen geschützt werden. Beim PHI nutzt man dafür ein speziell beschichtetes Fenster, das nur einen sehr kleinen Spektralbereich des ­Sonnenlichtes durchlässt. Hinter dem Schild herrschen akzeptable 20 Grad, und dort verrichtet auch ein Grossteil der Mess-Instrumente ihre Arbeit. Sie nehmen ­alles auf, was von der Sonne abströmt und auf den Satelliten trifft: den Sonnenwind, die elektromagnetischen Wellen und energiereiche Teilchen, die fast Lichtgeschwindigkeit erreichen. Zu den In-situ-Geräten gehört der Solar Wind Plasma Analyser, der die Hauptkomponenten des Sonnenwindes bestimmt.

«Wir wollen die Sonne und ihre eruptiven Phänomene von der Photosphäre bis weit in den interplanetaren Raum hinein ­beobachten.» Aus den Daten der einzelnen Instrumente soll sich ein Gesamtbild ergeben. Vor allem kleinskalige Prozesse gilt es besser zu verstehen. Koronale Massenauswürfe oder Sonneneruptionen, die massgeblich das Weltraumwetter beeinflussen. «Von den groben Strukturen wie dem 11-Jahres-Zyklus der Sonne haben wir bereits ein relativ klares Bild», sagt Woch. Nun will man den aktuellen Kenntnisstand durch Messungen in den Pol­regionen bestätigen oder widerlegen. Denn Solar Orbiter wird die erste ­Sonde sein, welche die Sonne so umkreist, dass der Blick auf deren Pole möglich ist.

Schwung holen bei der Venus

Die Gesamtdauer der Solar-Orbiter-Mission beträgt zehn Jahre. Das Austesten der Instrumente beginnt eine Woche nach dem Start und dauert drei Monate, ­danach gehen die Mess-Instrumente in den Wissenschafts­betrieb.

Der wissenschaftliche Betrieb der ­Kameras und Tele­skop-Instrumente beginnt zwei bis drei Jahre später, wenn die operative Umlaufbahn erreicht ist.

Die Sonde an die ­Sonne heran­zubringen, ist jedoch keine ganz leichte Aufgabe. «Die Heraus­forderung liegt gar nicht so sehr in der Entfernung, sondern im Überwinden des Gravitationsfeldes der Sonne», erklärt Joachim Woch vom Max-Planck-Institut für Sonnen­system­forschung in Göttingen. Dafür braucht es sogenannte Swing-by-Manöver. Im Fall von Solar Orbiter ist es vor allem die Gravitationskraft der ­Venus, die der vorbeifliegende Sonde ausreichend Schwung gibt für den langen Weg zur ­Sonne. (alm)

Merkliste

Hier speichern Sie interessante Artikel, um sie später zu lesen.

  • Legen Sie Ihr persönliches Archiv an.
  • Finden Sie gespeicherte Artikel schnell und einfach.
  • Lesen Sie Ihre Artikel auf allen Geräten.