Die Sonne erwärmt die Erde und macht sie so für Menschen und Tiere bewohnbar. Doch das ist nicht alles, was sie tut. Sie beeinflusst einen viel größeren Bereich des Weltraums. Die Heliosphäreder von der Sonne beeinflusste Raumbereich, ist über hundertmal größer als die Entfernung von der Sonne zur Erde.
Die Sonne ist ein Stern, der ständig einen stetigen Strom von Plasma – hochenergetischem ionisiertem Gas – ausstößt, den sogenannten Sonnenwind. Neben dem konstanter Sonnenwinddie Sonne gibt auch gelegentlich Plasmaausbrüche ab, die koronale Massenauswürfedie dazu beitragen können, Polarlichtund Ausbrüche von Licht und Energie, sogenannte Flares.
Das von der Sonne ausgehende Plasma breitet sich zusammen mit dem Magnetfeld der Sonne durch den Weltraum aus. Zusammen bilden sie die Heliosphäre innerhalb des umgebenden lokalen interstellaren Mediums – dem Plasma, den neutralen Teilchen und dem Staub, die den Raum zwischen den Sternen und ihren jeweiligen Astrosphären füllen. Heliophysiker wie ich möchten die Heliosphäre und ihre Wechselwirkung mit dem interstellaren Medium verstehen.
Die acht bekannten Planeten des Sonnensystems, der Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter und der Kuipergürtel – das Band von Himmelskörpern jenseits von Neptun, zu dem auch der Planetoid Pluto gehört – befinden sich alle in der Heliosphäre. Die Heliosphäre ist so groß, dass die Objekte im Kuipergürtel näher an der Sonne kreisen als an der die nächste Grenze der Heliosphäre.
Schutz der Heliosphäre
Wenn entfernte Sterne explodieren, stoßen sie große Mengen Strahlung in Form hochenergetischer Teilchen in den interstellaren Raum aus. bekannt als kosmische Strahlung. Diese kosmische Strahlung kann für Lebewesen gefährlich sein und elektronische Geräte und Raumfahrzeuge beschädigen.
Die Erdatmosphäre schützt das Leben auf dem Planeten vor den Auswirkungen der kosmischen Strahlung, doch darüber hinaus fungiert die Heliosphäre selbst als kosmischer Schutzschild gegen den Großteil der interstellaren Strahlung.
Neben der kosmischen Strahlung strömen auch neutrale Teilchen und Staub aus dem lokalen interstellaren Medium in die Heliosphäre. Diese Teilchen können den Weltraum um die Erde beeinflussen und kann sogar ändern wie der Sonnenwind die Erde erreicht.
Auch Supernovas und das interstellare Medium könnten Einfluss gehabt haben der Ursprung des Lebens Und die Evolution des Menschen auf der Erde. Einige Forscher sagen voraus, dass die Heliosphäre vor Millionen von Jahren mit einer kalten, dichten Partikelwolke im interstellaren Medium in Kontakt kam, die ließ die Heliosphäre schrumpfenwodurch die Erde dem lokalen interstellaren Medium ausgesetzt wird.
Eine unbekannte Form
Die genaue Form der Heliosphäre ist den Wissenschaftlern jedoch nicht bekannt. Modelle haben unterschiedliche Formen von kugelförmig über kometenartig bis hin zu croissantförmig. Diese Vorhersagen variieren ihre Größe ist hundert- bis tausendmal so groß wie die Entfernung zwischen der Sonne und der Erde.
Wissenschaftler haben jedoch die Richtung, in die sich die Sonne bewegt, als „Nasenrichtung“ und die entgegengesetzte Richtung als „Schwanzrichtung“ definiert. Die Nasenrichtung sollte die kürzeste Entfernung zur Heliopause aufweisen – der Grenze zwischen der Heliosphäre und dem lokalen interstellaren Medium.
Noch nie hat eine Sonde einen guten Blick von außen auf die Heliosphäre geworfen oder das lokale interstellare Medium richtig beprobt. Dies könnte den Wissenschaftlern mehr über die Form der Heliosphäre und ihre Wechselwirkung mit dem lokalen interstellaren Medium, der Weltraumumgebung jenseits der Heliosphäre, verraten.
Mit Voyager die Heliopause durchqueren
1977 startete die NASA den Voyager-Mission: Seine beiden Raumsonden flogen im äußeren Sonnensystem an Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun vorbei. Wissenschaftler haben festgestellt, dass die Sonden nach der Beobachtung dieser Gasriesen 2012 bzw. 2018 jeweils getrennt die Heliopause überquerten und in den interstellaren Raum vordrangen.
Voyager 1 und 2 sind zwar die einzigen Sonden, die jemals potenziell die Heliopause passiert haben, doch ihre geplante Missionsdauer ist längst überschritten. Sie können die erforderlichen Daten nicht mehr übermitteln, da ihre Instrumente langsam versagen oder sich abschalten.
Diese Raumsonden wurden für die Erforschung von Planeten und nicht des interstellaren Mediums konzipiert. Das heißt, sie verfügen nicht über die richtigen Instrumente, um alle Messungen des interstellaren Mediums oder der Heliosphäre durchzuführen, die die Wissenschaftler benötigen.
Hier könnte eine mögliche interstellare Sondenmission ins Spiel kommen. Eine Sonde, die über die Heliopause hinaus fliegen soll, würde den Wissenschaftlern helfen, die Heliosphäre zu verstehen, indem sie sie von außen beobachtet.
Eine interstellare Sonde
Da die Heliosphäre so groß ist, Es würde Jahrzehnte dauern, bis eine Sonde die Grenze erreicht.sogar mithilfe einer Schwerkraftunterstützung von einem massiven Planeten wie Jupiter.
Die Voyager-Raumsonde wird schon lange vor dem Verlassen der Heliosphäre durch eine interstellare Sonde keine Daten mehr aus dem interstellaren Raum liefern können. Und sobald die Sonde einmal gestartet ist, wird sie je nach Flugbahn etwa 50 oder mehr Jahre brauchen, um das interstellare Medium zu erreichen. Das bedeutet: Je länger die NASA mit dem Start einer Sonde wartet, desto länger werden die Wissenschaftler ohne Missionen in der äußeren Heliosphäre oder im lokalen interstellaren Medium auskommen müssen.
Die NASA erwägt die Entwicklung eines interstellare Sonde. Diese Sonde würde Messungen des Plasmas und der Magnetfelder im interstellaren Medium durchführen und die Heliosphäre von außen abbilden. Zur Vorbereitung bat die NASA mehr als 1.000 Wissenschaftler um Input zu einem Missionskonzept.
Der erste Bericht empfahl, die Sonde auf einer Flugbahn zu bewegen, die etwa 45 Grad von der Richtung der Spitze der Heliosphäre abweicht. Diese Flugbahn würde einen Teil der Route der Voyager nachzeichnen und dabei einige neue Regionen des Weltraums erreichen. Auf diese Weise könnten Wissenschaftler neue Regionen untersuchen und einige teilweise bekannte Regionen des Weltraums erneut besuchen.
Dieser Weg würde der Sonde lediglich einen teilweisen Blick auf die Heliosphäre ermöglichen und sie wäre nicht in der Lage, den Helioschweif zu sehen, die Region, über die die Wissenschaftler am wenigsten wissen.
Im Helioschweif sagen Wissenschaftler voraus, dass das Plasma, aus dem die Heliosphäre besteht, mischt sich mit das Plasma, aus dem das interstellare Medium besteht. Dies geschieht durch einen Prozess namens magnetische Wiederverbindungwodurch geladene Teilchen aus dem lokalen interstellaren Medium in die Heliosphäre strömen können. Genau wie die neutralen Teilchen, die durch die Nase eintreten, beeinflussen diese Teilchen die Weltraumumgebung innerhalb der Heliosphäre.
In diesem Fall sind die Partikel jedoch geladen und können mit den Magnetfeldern der Sonne und der Planeten interagieren. Diese Interaktionen finden zwar an den Grenzen der Heliosphäre statt, also sehr weit von der Erde entfernt, beeinflussen aber die Zusammensetzung des Inneren der Heliosphäre.
In einem neue Studie In Frontiers in Astronomy and Space Sciences haben meine Kollegen und ich sechs mögliche Startrichtungen von der Spitze bis zum Heck untersucht. Wir fanden heraus, dass eine Flugbahn, die die Flanke der Heliosphäre in Richtung Heck schneidet, die beste Perspektive auf die Form der Heliosphäre bietet, anstatt in der Nähe der Spitze auszusteigen.
Eine Flugbahn in diese Richtung würde den Wissenschaftlern die einmalige Gelegenheit bieten, einen völlig neuen Bereich des Weltraums innerhalb der Heliosphäre zu untersuchen. Wenn die Sonde die Heliosphäre verlässt und in den interstellaren Raum eindringt, würde sie die Heliosphäre von außen aus einem Winkel betrachten, der den Wissenschaftlern eine genauere Vorstellung von ihrer Form geben würde – insbesondere im umstrittenen Schweifbereich.
Egal in welche Richtung eine interstellare Sonde startet, die wissenschaftlichen Erkenntnisse, die sie letztendlich liefert, werden von unschätzbarem Wert und im wahrsten Sinne des Wortes astronomisch sein.
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