Mithilfe von Daten, die während der ersten Annäherung der Raumsonde Solar Orbiter an die Sonne gesammelt wurden, sind Wissenschaftler der Identifizierung der mysteriösen Ursprünge des „langsamen“ Sonnenwindes einen Schritt näher gekommen.
Der Sonnenwind, der sich mit Hunderten von Kilometern pro Sekunde fortbewegen kann, fasziniert Wissenschaftler schon seit Jahren. Eine neue Studie, die in Naturastronomiebringt endlich Licht in die Frage, wie es entsteht.
Der Sonnenwind beschreibt den kontinuierlichen Ausfluss geladener Plasmateilchen von der Sonne in den Weltraum. Geschwindigkeiten von über 500 km/s werden als „schnell“ bezeichnet, Geschwindigkeiten von unter 500 km/s werden als „langsam“ bezeichnet.
Wenn dieser Wind auf die Erdatmosphäre trifft, kann er die atemberaubende Aurora erzeugen, die wir als Nordlichter kennen. Wenn jedoch größere Mengen Plasma in Form eines koronalen Massenauswurfs freigesetzt werden, kann dies auch gefährlich sein und erhebliche Schäden an Satelliten und Kommunikationssystemen verursachen.
Trotz jahrzehntelanger Beobachtungen sind die Quellen und Mechanismen, die Sonnenwindplasma freisetzen, beschleunigen und von der Sonne weg in unser Sonnensystem transportieren, noch nicht gut verstanden – insbesondere der langsame Sonnenwind.
Im Jahr 2020 startete die Europäische Weltraumorganisation (ESA) mit Unterstützung der NASA die Mission Solar Orbiter. Neben der Aufnahme der bisher detailreichsten Bilder der Sonne besteht eines der Hauptziele der Mission darin, den Sonnenwind zu messen und seinen Ursprungsort auf der Sonnenoberfläche zu bestimmen.
Beschrieben als „das komplexeste wissenschaftliche Labor, das jemals zur Sonne geschickt wurde“, gibt es zehn verschiedene wissenschaftliche Instrumente An Bord des Solar Orbiter – einige davon vor Ort, um Proben des Sonnenwinds zu sammeln und zu analysieren, während dieser die Raumsonde passiert – sowie andere Fernerkundungsinstrumente, die dazu entwickelt wurden, qualitativ hochwertige Bilder der Aktivität auf der Sonnenoberfläche aufzunehmen.
Durch die Kombination von fotografischen und instrumentellen Daten konnten Wissenschaftler nun erstmals genauer bestimmen, wo der langsame Sonnenwind seinen Ursprung hat. So konnten sie herausfinden, wie er die Sonne verlassen und seine Reise in die Heliosphäre antreten kann – die riesige Blase um die Sonne und ihre Planeten, die unser Sonnensystem vor interstellarer Strahlung schützt.
Dr. Steph Yardley von der Northumbria University in Newcastle upon Tyne leitete die Forschungsarbeit und erklärt: „Die vor Ort in einem Raumfahrzeug in Sonnennähe gemessene Variabilität der Sonnenwindströme liefert uns zahlreiche Informationen über ihre Quellen. Obwohl in früheren Studien die Ursprünge des Sonnenwindes zurückverfolgt wurden, geschah dies in viel größerer Nähe zur Erde, als diese Variabilität bis dahin verloren gegangen ist.“
„Da Solar Orbiter so nah an der Sonne vorbeifliegt, können wir die komplexe Natur des Sonnenwindes erfassen und so ein viel klareres Bild seiner Ursprünge erhalten und sehen, wie diese Komplexität durch die Veränderungen in den verschiedenen Quellregionen bedingt ist.“
Der Unterschied zwischen der Geschwindigkeit des schnellen und des langsamen Sonnenwindes wird auf die unterschiedlichen Bereiche der Sonnenkorona zurückgeführt, der äußersten Schicht der Sonnenatmosphäre, in denen sie ihren Ursprung haben.
Koronales Loch in der Sonne. Bildnachweis: Europäische Weltraumorganisation (ESA)
Die offene Korona bezeichnet Regionen, in denen die Magnetfeldlinien nur an einem Ende an der Sonne verankert sind und sich am anderen Ende in den Weltraum erstrecken, wodurch eine Autobahn entsteht, über die Sonnenmaterial in den Weltraum entweichen kann. Diese Bereiche sind kühler und gelten als Quelle des schnellen Sonnenwinds.
Die geschlossene Korona bezeichnet Bereiche der Sonne, in denen die magnetischen Feldlinien geschlossen sind, d. h. an beiden Enden mit der Sonnenoberfläche verbunden sind. Diese Bereiche sind als große helle Schleifen zu sehen, die sich über magnetisch aktiven Bereichen bilden.
Gelegentlich brechen diese geschlossenen Magnetschleifen und geben Sonnenmaterial kurzzeitig die Möglichkeit zu entweichen, so wie es bei offenen Magnetfeldlinien der Fall ist, bevor es sich wieder verbindet und erneut eine geschlossene Schleife bildet. Dies geschieht im Allgemeinen in Bereichen, in denen die offene und die geschlossene Korona aufeinandertreffen.
Eines der Ziele von Solar Orbiter besteht darin, eine Theorie zu testen, der zufolge der langsame Sonnenwind aus der geschlossenen Korona stammt und durch diesen Prozess des Aufbrechens und Wiederzusammenfügens magnetischer Feldlinien in den Weltraum entweichen kann.
Dem Wissenschaftlerteam gelang es unter anderem, diese Theorie durch die Messung der „Zusammensetzung“ oder Beschaffenheit der Sonnenwindströme zu testen.
Die Zusammensetzung der Schwerionen im Sonnenmaterial unterscheidet sich je nach dessen Ursprungsort (heißere, geschlossene Korona oder kühlere, offene Korona).
Mithilfe der Instrumente an Bord von Solar Orbiter konnte das Team die Aktivitäten auf der Sonnenoberfläche analysieren und diese dann mit den von der Raumsonde erfassten Sonnenwindströmen abgleichen.
Anhand der von Solar Orbiter aufgenommenen Bilder der Sonnenoberfläche konnten sie feststellen, dass die langsamen Windströme aus einem Bereich kamen, in dem die offene und die geschlossene Korona aufeinandertrafen. Dies untermauerte die Theorie, dass der langsame Wind durch den Prozess des Aufbrechens und der Rekonnektivität aus geschlossenen Magnetfeldlinien entkommen kann.
Dr. Yardley von der Forschungsgruppe für Sonnen- und Weltraumphysik an der Northumbria University erklärt: „Die unterschiedliche Zusammensetzung des Sonnenwindes, die mit Solar Orbiter gemessen wurde, stimmte mit der Veränderung der Zusammensetzung über die Quellen in der Korona hinweg überein.“
„Die Veränderungen in der Zusammensetzung der schweren Ionen und Elektronen liefern deutliche Hinweise darauf, dass die Variabilität nicht nur durch die unterschiedlichen Quellregionen bedingt ist, sondern auch auf Rekonnexionsprozesse zurückzuführen ist, die zwischen den geschlossenen und offenen Schleifen in der Korona stattfinden.“
Bei der ESA-Mission Solar Orbiter handelt es sich um eine internationale Zusammenarbeit, bei der Wissenschaftler und Institutionen aus aller Welt zusammenarbeiten und Fachkenntnisse und Ausrüstung beisteuern.
Daniel Müller, ESA-Projektwissenschaftler für Solar Orbiter, sagte: „Ein zentrales Ziel der Solar Orbiter-Mission war von Anfang an, dynamische Ereignisse auf der Sonne mit ihren Auswirkungen auf die umgebende Plasmablase der Heliosphäre zu verknüpfen.“
„Um dies zu erreichen, müssen wir Fernbeobachtungen der Sonne mit Messungen des Sonnenwindes vor Ort kombinieren, während er an der Raumsonde vorbeiströmt. Ich bin ungemein stolz auf das gesamte Team, das diese komplexen Messungen erfolgreich durchgeführt hat.“
„Dieses Ergebnis bestätigt, dass Solar Orbiter in der Lage ist, robuste Verbindungen zwischen dem Sonnenwind und seinen Quellgebieten auf der Sonnenoberfläche herzustellen. Dies war ein zentrales Ziel der Mission und eröffnet uns die Möglichkeit, den Ursprung des Sonnenwindes in beispielloser Detailliertheit zu untersuchen.“
Zu den Instrumenten an Bord von Solar Orbiter gehört der Heavy Ion Sensor (HIS), der teilweise von Forschern und Ingenieuren des Space Physics Research Laboratory der University of Michigan in der Abteilung für Klima- und Weltraumwissenschaften und -technik entwickelt wurde. Der Sensor wurde entwickelt, um schwere Ionen im Sonnenwind zu messen, mit deren Hilfe festgestellt werden kann, woher der Sonnenwind stammt.
„Jede Region der Sonne kann eine einzigartige Kombination schwerer Ionen aufweisen, die die chemische Zusammensetzung eines Sonnenwindstroms bestimmt.
„Da die chemische Zusammensetzung des Sonnenwindes auf seinem Weg in das Sonnensystem konstant bleibt, können wir diese Ionen als Fingerabdruck verwenden, um den Ursprung eines bestimmten Sonnenwindstroms im unteren Teil der Sonnenatmosphäre zu bestimmen“, sagte Susan Lepri, Professorin für Klima- und Weltraumwissenschaften und Ingenieurwissenschaften an der University of Michigan und stellvertretende Forschungsleiterin des Heavy Ion Sensor.
Die Elektronen im Sonnenwind werden mithilfe eines Elektronenanalysesystems (EAS) gemessen, das vom Mullard Space Science Laboratory des UCL entwickelt wurde, wo Dr. Yardley Ehrenmitglied ist.
Professor Christopher Owen vom UCL sagte: „Die Instrumententeams haben mehr als ein Jahrzehnt damit verbracht, ihre Sensoren zu entwerfen, zu bauen und für den Start vorzubereiten, und auch zu planen, wie sie am besten koordiniert betrieben werden können. Daher ist es sehr erfreulich, dass die Daten nun zusammengeführt werden, um zu zeigen, welche Regionen der Sonne den langsamen Sonnenwind und seine Variabilität antreiben.“
Der Proton-Alpha-Sensor (PAS), der die Windgeschwindigkeit misst, wurde vom Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie der Universität Paul Sabatier im französischen Toulouse entworfen und entwickelt.
Zusammen bilden diese Instrumente die Sensorsuite „Solar Wind Analyser“ an Bord des Solar Orbiter, dessen leitender Forscher Professor Owen vom UCL ist.
Zu seinen zukünftigen Forschungsplänen sagte Dr. Yardley: „Bisher haben wir die Daten von Solar Orbiter auf diese Weise nur für diesen speziellen Zeitraum analysiert. Es wird sehr interessant sein, andere Fälle mit Solar Orbiter zu untersuchen und auch einen Vergleich mit Datensätzen von anderen Missionen in geringer Entfernung wie etwa NASAs Parker Solar Probe anzustellen.“
Mehr Informationen:
Konnektivität mehrerer Quellen als Treiber der Variabilität des Sonnenwindes in der Heliosphäre, Naturastronomie (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02278-9. www.nature.com/articles/s41550-024-02278-9