Zwei Raumsonden haben eine bahnbrechende Messung geliefert, die dabei hilft, ein 65 Jahre altes kosmisches Rätsel zu lösen – warum die Sonnenatmosphäre so heiß ist. Die Atmosphäre der Sonne wird Korona genannt. Es besteht aus elektrisch geladenem Gas namens Plasma mit einer Temperatur von etwa einer Million Grad Celsius. Seine Temperatur ist ein ewiges Rätsel, da die Oberflächentemperatur der Sonne nur etwa 6.000 Grad Celsius beträgt. Die Korona sollte kühler sein als die Oberfläche, da die Energie der Sonne aus dem Kernofen im Kern stammt und je weiter man von der Wärmequelle entfernt ist, desto kühler wird es natürlich.Allerdings ist die Temperatur der Korona mehr als 150-mal höher als die der Oberfläche. Es muss eine andere Methode zur Energieübertragung auf das Plasma bei der Arbeit geben. Was ist das?

Auf diesem vom Metis-Instrument des Solar Orbiter aufgenommenen Bild ist zu sehen, wie sich die äußere Atmosphäre der Sonne, die sogenannte Korona, in den Weltraum erstreckt. Metis ist ein Multiwellenlängengerät, das sowohl im sichtbaren als auch im ultravioletten Wellenlängenbereich arbeitet. Es handelt sich um einen Koronographen, das heißt, er blockiert helles Sonnenlicht von der Sonnenoberfläche und macht das schwächere Licht sichtbar, das von Partikeln in der Korona gestreut wird. In diesem Bild stellt die unscharfe rote Scheibe den Koronagraphen dar, während die weiße Scheibe eine Maske ist, die zur Komprimierung der Bildgröße verwendet wird, um die Menge unnötiger Downlink-Daten zu reduzieren. Bildnachweis: ESA und NASA/Solar Orbiter/Metis Group; D. Telloni et al. (2023)

Theoretische und investigative Herausforderungen

Es wird seit langem vermutet, dass Turbulenzen in der Sonnenatmosphäre zu einer erheblichen Erwärmung des Plasmas in der Korona führen. Doch bei der Untersuchung dieses Phänomens stießen Sonnenphysiker auf ein praktisches Problem: Es war unmöglich, alle benötigten Daten mit nur einer Raumsonde zu sammeln.

Es gibt zwei Methoden zur Untersuchung der Sonne: Fernerkundung und In-situ-Messungen. Bei Fernerkundungsmessungen wird ein Raumschiff in einiger Entfernung platziert und beobachtet mit Kameras die Sonne und ihre Atmosphäre bei verschiedenen Wellenlängen. Bei einer In-situ-Messung überfliegt die Raumsonde den Bereich, den sie untersuchen möchte, und misst dabei Partikel und Magnetfelder in diesem Teil des Weltraums.

Beide Methoden haben ihre Vorteile. Die Fernerkundung kann großräumige Ergebnisse zeigen, jedoch nicht die Details der im Plasma ablaufenden Prozesse. Gleichzeitig können In-situ-Messungen hochspezifische Informationen über kleinskalige Prozesse im Plasma liefern, jedoch nicht zeigen, wie sich diese Prozesse auf großskalige Prozesse auswirken.

Vermessung zweier Raumfahrzeuge

Um ein vollständiges Bild zu erhalten, wären zwei Raumschiffe erforderlich. Genau das haben Heliophysiker derzeit mit der von der ESA geleiteten Raumsonde Solar Orbiter und der Parker Solar Probe der NASA. Solar Orbiter ist darauf ausgelegt, der Sonne so nahe wie möglich zu kommen und gleichzeitig Fernerkundungsoperationen und In-situ-Messungen durchzuführen. Die Parker Solar Probe hat die Fernerkundung der Sonne selbst weitgehend aufgegeben und rückt stattdessen näher an die Sonne heran, um Messungen vor Ort durchzuführen.

Um ihre Komplementarität jedoch voll ausnutzen zu können, muss sich die Parker Solar Probe im Sichtfeld eines der Instrumente von Solar Orbiter befinden. Auf diese Weise kann Solar Orbiter die riesigen Datenmengen aufzeichnen, die durch die In-situ-Messungen von Parker Solar Probe generiert werden.


Der Solar Orbiter der ESA ist eines von zwei komplementären Raumfahrzeugen, die die Sonne aus nächster Nähe untersuchen: Er schließt sich bei seiner Mission der Parker Solar Probe der NASA an. Bildnachweis: Solar Orbiter: ESA/ATGmedialab; Parker Solar Probe: NASA/Johns Hopkins APL

Koordination der Astrophysik

Daniele Telloni, Forscher am Italienischen Nationalen Institut für Astrophysik (INAF) am Astrophysikalischen Observatorium Turin, ist Mitglied des Teams hinter dem Metis-Instrument von Solar Orbiter. Metis ist ein Koronograph, der das Licht von der Sonnenoberfläche blockiert und Bilder der Korona aufnimmt. Es war das perfekte Instrument für groß angelegte Messungen, also machte sich Danielle daran, herauszufinden, wann die Parker Solar Probe ankommen würde.

Er fand heraus, dass sich die beiden Raumschiffe am 1. Juni 2022 in der richtigen Orbitalkonfiguration befinden werden – fast. Im Wesentlichen wird Solar Orbiter auf die Sonne blicken, während Parker Solar Probe an der Seite steht, ganz in der Nähe, aber knapp außerhalb des Sichtfelds des Métis-Instruments.

Als Daniel das Problem sah, wurde ihm klar, dass es nur eines kleinen Manövers auf Solar Orbiter bedarf, um die Parker Solar Probe in Sichtweite zu bringen: sie um 45 Grad zu drehen und leicht von der Sonne weg zu richten.

Aber jede Bewegung einer Weltraummission wird sorgfältig im Voraus geplant, und das Raumschiff selbst ist so konzipiert, dass es nur in ganz bestimmte Richtungen zeigt, insbesondere wenn es mit der schrecklichen Hitze der Sonne zu tun hat. Es ist unklar, ob das Betriebsteam des Raumfahrzeugs eine solche Abweichung genehmigen würde. Als jedoch allen der potenzielle wissenschaftliche Nutzen klar wurde, fiel die Entscheidung eindeutig mit „Ja“.

Die Solar Orbiter-Mission der ESA wird bei ihrer größten Annäherung an die Sonne aus der Umlaufbahn des Merkur auf die Sonne blicken. Bildquelle: ESA/ATGmedialab

Durchbruchbeobachtungen

Das Rollen und Ablenken ging weiter; Die Parker Solar Probe kam in Sicht, und zum ersten Mal maßen die beiden Raumsonden gleichzeitig die großräumige Struktur der Korona und die mikrophysikalischen Eigenschaften des Plasmas.

„Diese Arbeit ist das Ergebnis der Beiträge vieler, vieler Menschen“, sagte Daniel, der die Analyse des Datensatzes leitete. Gemeinsam erstellten sie die ersten umfassenden Beobachtungen und In-situ-Schätzungen der koronalen Erwärmungsraten.

„Die Möglichkeit, Solar Orbiter und Parker Solar Probe gleichzeitig zu nutzen, eröffnet dieser Forschung wirklich eine völlig neue Dimension“, sagte Gary Zank von der University of Alabama in Huntsville, einer der Mitautoren der Studie.

Durch den Vergleich der neu gemessenen Geschwindigkeiten mit jahrelangen theoretischen Vorhersagen von Sonnenphysikern zeigte Daniel, dass die Sonnenphysiker mit ziemlicher Sicherheit Recht hatten, Turbulenz als eine Art der Energieübertragung zu identifizieren.

Künstlerisches Konzept der Parker Solar Probe, die sich der Sonne nähert. Bildquelle: NASA/JohnsHopkinsAPL/SteveGribben

Die genaue Art und Weise, wie Turbulenzen diesen Effekt erzeugen, ähnelt dem, was passiert, wenn Sie morgens Ihren Kaffee umrühren. Durch die Anregung der zufälligen Bewegung eines Fluids (Gas oder Flüssigkeit) wird Energie auf kleinere Maßstäbe übertragen und letztendlich in Wärme umgewandelt. In der Korona wird die Flüssigkeit zudem magnetisiert, sodass die gespeicherte magnetische Energie auch in thermische Energie umgewandelt werden kann.

Diese Übertragung magnetischer und kinetischer Energie von größeren auf kleinere Maßstäbe ist das Wesen der Turbulenz. Auf kleinsten Skalen führt es dazu, dass die Wellen schließlich mit einzelnen Teilchen (hauptsächlich Protonen) interagieren und diese erhitzen.

Fazit und Aufklärung

Es muss noch mehr Arbeit geleistet werden, bevor das Problem der Solarheizung gelöst ist, aber dank Danieles Arbeit haben Solarphysiker diesen Prozess nun erstmals gemessen.

„Das ist eine wissenschaftliche Premiere“, sagte Projektwissenschaftler Daniel Müller.