Solar Orbiter – scharfer Blick auf die Sonne 

Als die Raumsonde Solar Orbiter, ein Projekt der Weltraumagenturen ESA und NASA, am 10. Februar 2020 ihre Reise ins All antrat, freuten sich Forschende auf ein Novum: Messdaten von der Sonne, so hochaufgelöst und gleichzeitig vielschichtig wie nie zuvor. Der einzigartige Blick der Sonde – so die Hoffnung – werde dazu beitragen, viele der offenen Fragen der Sonnenphysik zu beantworten. Tatsächlich waren die hohen Erwartungen berechtigt.

Die Besonderheit von Solar Orbiter liegt im Zusammenwirken mehrerer Eigenschaften. Eine davon ist die Flugroute: Auf Ellipsen fliegt der Späher um die Sonne und nähert sich ihr immer wieder bis auf einen Abstand von etwa 42 Millionen Kilometern. Das ist deutlich weniger als die Entfernung des Planeten Merkur von der Sonne und weniger als ein Drittel des Abstands zwischen Erde und Sonne. Die Reiseroute erlaubt auch einen Blick auf die erdabgewandte Seite unseres Sterns und ermöglicht in Zusammenarbeit mit erdnahen Sonden eine stereoskopische Ansicht.

Ebenso entscheidend ist die umfangreiche Ausstattung der Sonde. Zehn wissenschaftliche Instrumente sammeln Daten aus allen Schichten der Sonne: vom Magnetfeld und brodelnden Plasma an der sichtbaren Oberfläche über die heiße Sonnenkorona bis hin zum Sonnenwind, der Solar Orbiter umströmt. So ist es möglich, Phänomene aus verschiedenen Schichten des Sterns zueinander in Beziehung zu setzen.

Zu vier der Instrumente hat das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung beigetragen: Der Polarimetric and Helioseismic Imager (SO/PHI) ist unter Leitung des Instituts entstanden; zu den Instrumenten Extreme-Ultraviolett Imager (EUI), Spectral Imaging of the Coronal Environment (SPICE) und zum Koronographen Metis wurden Teilinstrumente oder entscheidende Hardwarekomponenten geliefert.

Neben elektromagnetischer Strahlung pustet unser Stern auch geladene Teilchen ins All. Der Sonnenwind, der beständig an- und abschwillt, aber nie völlig abreißt, jagt mit Geschwindigkeiten von mehr als 500 Kilometern pro Sekunde bis an den Rand unseres Planetensystems. Bisher war allerdings unklar, wie es der Sonne gelingt, die Teilchen auf diese Geschwindigkeiten zu beschleunigen. Hinweise auf ihren Antrieb liefern EUI-Aufnahmen koronaler Löcher. Das Instrument bildet Vorgänge in der Korona – der äußeren, zum Teil mehr als eine Million Grad heißen Atmosphäre der Sonne – in schneller Abfolge und einmalig hoher Auflösung ab.

Als koronale Löcher bezeichnen Forschende dunkle Bereiche in der Sonnenatmosphäre, aus denen die Feldlinien des Sonnenmagnetfelds in den interplanetaren Raum ragen. In diesen Löchern nehmen die schnellsten Sonnenwindteilchen ihren Ursprung. Auf EUI-Bildern solcher Löcher leuchten unzählige kleinste Plasmaströme auf [1]. Sie sind von langgezogener oder Y-förmiger Gestalt. Nach 20 bis 100 Sekunden verblassen sie wieder. In jüngsten Auswertungen lässt sich das Phänomen von seinem Ursprung an der Sonnenoberfläche bis zu seinen Auswirkungen auf die Plasma-Umgebung der Sonde nachverfolgen – und so als Antrieb dieser Sonnenwindteilchen identifizieren [2]. Neben dem Sonnenwind können auch Eruptionen die Sonnenatmosphäre erschüttern und dann mit der Erde in Wechselwirkung treten.

Ein weiteres Phänomen, das EUI sichtbar machen konnte, sind sogenannte Campfires – kleinste Strahlungsausbrüche in der unteren Sonnenatmosphäre. Viel spricht dafür, dass sie ein entscheidendes Puzzleteil sind, die heißen Temperaturen in der Korona zu verstehen. Während das Plasma an der sichtbaren Oberfläche mit vergleichsweise kühlen 5000 bis 6000 Grad blubbert, steigen die Temperaturen in den darüberliegenden Schichten sprunghaft an – bis auf mehr als eine Million Grad. Die Campfires liefern offenbar einen Teil der notwendigen Energie.

Ihren Ursprung haben die Strahlungsausbrüche auf der sichtbaren Oberfläche der Sonne. Computersimulationen zeigen, wie diese Campfires dort aus dem Zusammenspiel von Magnetfeldern und heißen Plasmaströmen entstehen [3]. Auswertungen von SO/PHI- und EUI-Messdaten legen nahe, dass kleine, eng benachbarte Bereiche entgegengesetzter magnetischer Polarität an der Oberfläche die Ursprungsregionen der Campfires sind [4]. Wenn sie sich umstrukturieren, entlädt sich Energie.

Das Magnetfeld der Sonne gilt als Schlüssel zu ihrem dynamischen Wesen. Bisher waren die Beobachtungsmöglichkeiten jedoch eingeschränkt: Nur die erdzugewandte Seite der Sonne ließ sich betrachten. Solar Orbiter eröffnet einen anderen, sich ständig ändernden Blickwinkel. Im Teamwork mit anderen Raumsonden wie etwa dem Solar Dynamics Observatory der NASA ist zudem der gleichzeitige Blick aus verschiedenen Perspektiven möglich.

So ist es gelungen, Karten des gesamten Sonnenmagnetfelds zu erstellen, die auf Messungen an nur 17 aufeinanderfolgenden Tagen beruhen [5]. Bisher musste man für eine solche magnetische Gesamtübersicht warten, bis sich im Laufe von 27 Tagen die gesamte Sonnenoberfläche nach und nach in das irdische Blickfeld gedreht hatte. Die Karten waren daher eine Art „Flickwerk“, das die Sonne zu völlig unterschiedlichen Zeitpunkten zeigte.

Für die kommenden Jahre verspricht die Solar-Orbiter-Mission weitere Entdeckungen. Bis 2029 wird die Sonde die Ebene, in der die Erde und andere Planeten um die Sonne kreisen, schrittweise verlassen. Nach und nach wird es so möglich, auch auf die Pole der Sonne zu schauen. Diese sind bisher weitgehend unerforscht. Auch der kleinste Abstand zur Sonne wird sich ab 2027 noch leicht reduzieren – für einen noch einzigartigeren Blick auf unser Tagesgestirn.

Literaturhinweise