Die National Aeronautics and Space Administration (NASA) teilte am Mittwoch (15. Dezember) mit, dass ihre Raumsonde Parker Solar Probe zum ersten Mal in der Geschichte die Sonne berührt hat. Die Parker Solar Probe der NASA ist nun durch die obere Atmosphäre der Sonne – die Korona – geflogen. und dort Partikel und Magnetfelder abgetastet.
Der neue Meilenstein markiert einen großen Schritt für Parker Solar Probe und einen großen Sprung für die Solarwissenschaft. So wie die Landung auf dem Mond es den Wissenschaftlern ermöglichte, seine Entstehung zu verstehen, wird das Berühren des Stoffes, aus dem die Sonne besteht, Wissenschaftlern helfen, wichtige Informationen über unseren nächsten Stern und seinen Einfluss auf das Sonnensystem zu finden.
„Parker Solar Probe ‚touching the sun‘ ist ein monumentaler Moment für die Solarwissenschaft und eine wirklich bemerkenswerte Leistung“, sagte Thomas Zurbuchen, stellvertretender Administrator des Science Mission Directorate am NASA-Hauptquartier in Washington. „Dieser Meilenstein verschafft uns nicht nur tiefere Einblicke in die Entwicklung unserer Sonne und ihre Auswirkungen auf unser Sonnensystem, sondern alles, was wir über unseren eigenen Stern lernen, lehrt uns auch mehr über die Sterne im Rest des Universums.“
Während es näher an der Sonnenoberfläche kreist, macht Parker neue Entdeckungen, dass andere Raumschiffe zu weit entfernt waren, um sie zu sehen, einschließlich des Sonnenwinds – des Partikelstroms von der Sonne, der uns auf der Erde beeinflussen kann. Im Jahr 2019 entdeckte Parker, dass magnetische Zick-Zack-Strukturen im Sonnenwind, sogenannte Serpentinen, in der Nähe der Sonne reichlich vorhanden sind. Doch wie und wo sie entstehen, blieb ein Rätsel. Seitdem hat sich die Entfernung zur Sonne halbiert, Parker Solar Probe ist nun nahe genug vorbeigekommen, um einen Ort zu identifizieren, an dem sie entstehen: die Sonnenoberfläche.
Die erste Passage durch die Korona – und das Versprechen weiterer Vorbeiflüge – wird weiterhin Daten zu Phänomenen liefern, die aus der Ferne nicht untersucht werden können.
„Die Parker Solar Probe fliegt der Sonne so nahe, dass sie jetzt Bedingungen in der magnetisch dominierten Schicht der Sonnenatmosphäre – der Korona – wahrnimmt, die wir vorher nie konnten“, sagte Nour Raouafi, der Wissenschaftler des Parker-Projekts am Johns Hopkins Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland. „Wir sehen Beweise dafür, dass wir uns in der Korona befinden, in Magnetfelddaten, Sonnenwinddaten und visuell in Bildern. Wir können die Raumsonde tatsächlich durch koronale Strukturen fliegen sehen, die während einer totalen Sonnenfinsternis beobachtet werden können.“
Näher als je zuvor
Die Parker Solar Probe wurde 2018 gestartet, um die Geheimnisse der Sonne zu erforschen, indem sie ihr näher als jede andere Raumsonde zuvor kam. Drei Jahre nach der Markteinführung und Jahrzehnte nach der ersten Konzeption ist Parker endlich angekommen.
Im Gegensatz zur Erde hat die Sonne keine feste Oberfläche. Aber es hat eine überhitzte Atmosphäre, die aus Sonnenmaterial besteht, das durch Schwerkraft und magnetische Kräfte an die Sonne gebunden ist. Da steigende Hitze und Druck dieses Material von der Sonne wegdrücken, erreicht es einen Punkt, an dem Schwerkraft und Magnetfelder zu schwach sind, um es einzudämmen.
Dieser Punkt, bekannt als die kritische Oberfläche von Alfvén, markiert das Ende der Sonnenatmosphäre und den Beginn des Sonnenwinds. Sonnenmaterial mit der Energie, um diese Grenze zu überwinden, wird zum Sonnenwind, der das Magnetfeld der Sonne mit sich zieht, während es durch das Sonnensystem, zur Erde und darüber hinaus rast. Wichtig ist, dass sich der Sonnenwind jenseits der kritischen Oberfläche von Alfvén so schnell bewegt, dass die Wellen im Wind niemals schnell genug wandern können, um zur Sonne zurückzukehren – und ihre Verbindung trennen.
Bisher waren sich die Forscher nicht sicher, wo genau die kritische Oberfläche von Alfvén lag. Basierend auf entfernten Bildern der Korona hatten Schätzungen sie zwischen 10 und 20 Sonnenradien von der Sonnenoberfläche entfernt – 4,3 bis 8,6 Millionen Meilen. Parkers spiralförmige Flugbahn bringt es langsam näher an die Sonne und während der letzten paar Durchläufe war die Raumsonde konstant unter 20 Sonnenradien (91 Prozent des Erdabstands von der Sonne), was sie in die Lage versetzt, die Grenze zu überschreiten – wenn die Schätzungen waren richtig.
Am 28. April 2021, während ihres achten Vorbeiflugs an der Sonne, stieß die Parker Solar Probe auf die spezifischen magnetischen und Teilchenbedingungen bei 18,8 Sonnenradien (etwa 8,1 Millionen Meilen) über der Sonnenoberfläche, die den Wissenschaftlern mitteilten, dass sie die kritische Oberfläche von Alfvén für die zum ersten Mal und trat schließlich in die Sonnenatmosphäre ein.
„Wir haben voll erwartet, dass wir früher oder später zumindest für kurze Zeit auf die Korona treffen würden“, sagte Justin Kasper, Hauptautor eines neuen Papiers über den in Physical Review Letters veröffentlichten Meilenstein und stellvertretender Chief Technology Officer bei BWX Technologies, Inc. und Professor an der University of Michigan. „Aber es ist sehr spannend, dass wir es schon erreicht haben.“
Ins Auge des SturmsWährend des Vorbeiflugs ging die Parker Solar Probe mehrmals in die Korona hinein und wieder aus ihr heraus. Dies ist bewiesen, was einige vorhergesagt hatten – dass die kritische Oberfläche von Alfvén nicht wie eine glatte Kugel geformt ist. Vielmehr weist es Zacken und Täler auf, die die Oberfläche falten. Die Entdeckung, wo diese Vorsprünge mit der von der Oberfläche kommenden Sonnenaktivität ausgerichtet sind, kann Wissenschaftlern helfen, zu erfahren, wie sich Ereignisse auf der Sonne auf die Atmosphäre und den Sonnenwind auswirken.
An einem Punkt, als Parker Solar Probe auf knapp unter 15 Sonnenradien (ca. Pseudostreamer sind massive Strukturen, die sich über die Sonnenoberfläche erheben und bei Sonnenfinsternissen von der Erde aus zu sehen sind.
Das Durchqueren des Pseudostreamers war, als würde man einem Sturm ins Auge fliegen. Im Inneren des Pseudostreamers beruhigten sich die Bedingungen, die Partikel verlangsamten sich und die Anzahl der Serpentinen sank – eine dramatische Veränderung gegenüber der geschäftigen Flut von Partikeln, auf die die Raumsonde normalerweise im Sonnenwind trifft.
Zum ersten Mal befand sich die Raumsonde in einer Region, in der die Magnetfelder stark genug waren, um die Bewegung der Teilchen dort zu dominieren. Diese Bedingungen waren der endgültige Beweis dafür, dass die Raumsonde die kritische Oberfläche von Alfvén passiert hatte und in die Sonnenatmosphäre eingedrungen war, wo Magnetfelder die Bewegung von allem in der Region bestimmen.
Die erste Passage durch die Korona, die nur wenige Stunden dauerte, ist eine von vielen, die für die Mission geplant sind. Parker wird sich weiter der Sonne nähern und schließlich bis zu 8,86 Sonnenradien (3,83 Millionen Meilen) von der Oberfläche erreichen. Kommende Vorbeiflüge, der nächste im Januar 2022, werden Parker Solar Probe wahrscheinlich wieder durch die Korona bringen.
„Ich bin gespannt, was Parker in den kommenden Jahren beim wiederholten Durchlaufen der Korona findet“, sagte Nicola Fox, Abteilungsleiterin der Heliophysics Division im NASA-Hauptquartier. „Die Chance für neue Entdeckungen ist grenzenlos.“
Die Größe der Korona wird auch durch die Sonnenaktivität bestimmt. Wenn der 11-jährige Aktivitätszyklus der Sonne – der Sonnenzyklus – zunimmt, dehnt sich der äußere Rand der Korona aus, was Parker Solar Probe eine größere Chance gibt, sich länger in der Korona zu befinden.
„Es ist eine wirklich wichtige Region, in die man vordringen sollte, weil wir glauben, dass alle Arten von Physik potenziell aktiviert werden“, sagte Kasper. "Und jetzt dringen wir in diese Region vor und werden hoffentlich einige dieser Physik und Verhaltensweisen sehen."
Einschränken von Serpentinen-Ursprüngen
Schon vor den ersten Fahrten durch die Korona tauchte schon einige überraschende Physik auf. Bei jüngsten Sonnenbegegnungen sammelte Parker Solar Probe Daten, die den Ursprung von zickzackförmigen Strukturen im Sonnenwind, sogenannten Spitzkehren, lokalisieren. Die Daten zeigten, dass ein Punkt, an dem Serpentinen entstehen, an der sichtbaren Oberfläche der Sonne liegt – der Photosphäre.
Als er die 93 Millionen Meilen entfernte Erde erreicht, ist der Sonnenwind ein unerbittlicher Gegenwind von Teilchen und Magnetfeldern. Aber da er der Sonne entweicht, ist der Sonnenwind strukturiert und lückenhaft. Mitte der 1990er Jahre flog die NASA-European Space Agency-Mission Ulysses über die Pole der Sonne und entdeckte eine Handvoll bizarrer S-förmiger Knicke in den Magnetfeldlinien des Sonnenwinds, die geladene Teilchen auf einem Zick-Zack-Weg umleiteten, als sie entkamen Die Sonne. Jahrzehntelang dachten Wissenschaftler, diese gelegentlichen Spitzkehren seien Kuriositäten, die auf die Polarregionen der Sonne beschränkt seien.
Im Jahr 2019 entdeckte Parker bei 34 Sonnenradien von der Sonne, dass Serpentinen im Sonnenwind nicht selten, aber häufig sind. Dieses erneuerte Interesse an den Funktionen und wirft neue Fragen auf: Woher kamen sie? Wurden sie an der Sonnenoberfläche geschmiedet oder durch einen Prozess geformt, der magnetische Felder in der Sonnenatmosphäre knickt?
Die neuen Ergebnisse, die im Astrophysical Journal veröffentlicht wurden, bestätigen endlich, dass sich ein Ursprungspunkt in der Nähe der Sonnenoberfläche befindet.
Die Hinweise kamen, als Parker bei seinem sechsten Vorbeiflug näher an der Sonne kreiste, weniger als 25 Sonnenradien. Die Daten zeigten, dass Serpentinen in Flecken auftreten und einen höheren Anteil an Helium haben – von dem bekannt ist, dass es aus der Photosphäre kommt – als andere Elemente. Die Ursprünge der Serpentinen wurden weiter eingeengt, als die Wissenschaftler die Flecken fanden, die mit magnetischen Trichtern ausgerichtet waren, die aus der Photosphäre zwischen Konvektionszellstrukturen, den sogenannten Supergranulaten, austreten.
Die Wissenschaftler glauben, dass die magnetischen Trichter nicht nur der Geburtsort von Serpentinen sind, sondern auch der Ursprung einer Komponente des Sonnenwinds sein könnten. Der Sonnenwind gibt es in zwei verschiedenen Varianten – schnell und langsam – und in den Trichtern könnten einige Partikel des schnellen Sonnenwinds herkommen.
„Die Struktur der Regionen mit Serpentinen stimmt mit einer kleinen magnetischen Trichterstruktur an der Basis der Korona überein“, sagte Stuart Bale, Professor an der University of California, Berkeley und Hauptautor des neuen Serpentinen-Papiers. „Das erwarten wir von einigen Theorien, und dies zeigt eine Quelle für den Sonnenwind selbst.“Zu verstehen, wo und wie die Komponenten des schnellen Sonnenwinds entstehen und ob sie mit Spitzkehren verbunden sind, könnte Wissenschaftlern helfen, ein seit langem bestehendes Sonnenrätsel zu lösen: Wie die Korona auf Millionen von Grad erhitzt wird, viel heißer als die Sonnenoberfläche darunter.
Die neuen Erkenntnisse lokalisieren zwar, wo Serpentinen gemacht werden, aber die Wissenschaftler können noch nicht bestätigen, wie sie gebildet werden. Eine Theorie besagt, dass sie von Plasmawellen erzeugt werden könnten, die wie eine Meeresbrandung durch die Region rollen. Ein anderer behauptet, dass sie durch einen explosiven Prozess hergestellt werden, der als magnetische Wiederverbindung bekannt ist und der an den Grenzen auftritt, an denen die magnetischen Trichter zusammenkommen.
„Mein Instinkt ist, dass wir mehr darüber erfahren, wie magnetische Trichter mit den Serpentinen verbunden sind, wenn wir tiefer in die Mission vordringen und der Sonne immer näher kommen“, sagte Bale. "Und hoffentlich die Frage klären, welcher Prozess sie ausmacht."
Jetzt, da die Forscher wissen, wonach sie suchen müssen, könnten Parkers nähere Pässe noch mehr Hinweise auf Serpentinen und andere Sonnenphänomene liefern. Die kommenden Daten werden Wissenschaftlern einen Einblick in eine Region ermöglichen, die für die Überhitzung der Korona und die Anhebung des Sonnenwinds auf Überschallgeschwindigkeit entscheidend ist. Solche Messungen der Korona werden entscheidend sein, um extreme Weltraumwetterereignisse zu verstehen und vorherzusagen, die die Telekommunikation stören und Satelliten rund um die Erde beschädigen können.
„Es ist wirklich aufregend zu sehen, wie es unseren fortschrittlichen Technologien gelingt, die Parker Solar Probe näher an die Sonne zu bringen als je zuvor, und so eine erstaunliche Wissenschaft zurückgeben zu können“, sagte Joseph Smith, Parker Program Executive im NASA-Hauptquartier. "Wir sind gespannt, was die Mission in den kommenden Jahren noch näher rückt."
Parker Solar Probe ist Teil des Living with a Star-Programms der NASA zur Erforschung von Aspekten des Sonne-Erde-Systems, die das Leben und die Gesellschaft direkt beeinflussen. Das Living with a Star-Programm wird vom Goddard Space Flight Center der Agentur in Greenbelt, Maryland, für das Science Mission Directorate der NASA in Washington verwaltet. Das Labor für angewandte Physik der Johns Hopkins University in Laurel, Maryland, leitet die Mission Parker Solar Probe für die NASA und hat die Raumsonde entworfen, gebaut und betrieben.
Quelle: NASA
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