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(Bildnachweis: NASA)

Die Sonne, trotz ihres Glanzes, neigt dazu, sich hinter einem Schleier von Geheimnissen zu verstecken. Zum Beispiel scheint ihre äußere Atmosphäre, die Korona, heißer zu sein als ihre Oberfläche – sehr viel heißer – und die Wissenschaftler sind sich nicht sicher, warum. Ein großes Rätsel ist auch, wie der Sonnenwind, ein Strom geladener Teilchen, der von der Sonne ausgeht, beschleunigt wird, während er durch den Weltraum saust. Was genau treibt diese Teilchen an? Und bald will die NASA noch ein weiteres Rätsel der Sonne lösen, das sowohl mit der Korona als auch mit dem Sonnenwind zu tun hat.

Die Agentur möchte wissen, wie das eine in das andere übergeht – und erfahren, wie durch diese Verbindung letztlich die Sonnenwindkammer entsteht, in der wir leben, die sogenannte Heliosphäre.

Am 27. Februar plant die NASA, an Bord einer SpaceX Falcon 9-Rakete die PUNCH-Mission zur Erforschung der Sonne in eine niedrige Erdumlaufbahn zu bringen. Sie wird zusammen mit dem SPHEREx-Observatorium der NASA, einer Art Weitwinkelversion des James-Webb-Weltraumteleskops, im Rahmen des Launch-Services-Programms der NASA starten, das darauf abzielt, Weltraummissionen kostengünstiger zu gestalten.

„PUNCH ist die erste Mission, die speziell entwickelt wurde, um zwei wichtige Bereiche der Heliophysik zu vereinen: die Sonnenphysik und die Sonnenwindphysik“, erklärte Craig DeForest, der Leiter der PUNCH-Mission vom Southwest Research Institute, am 4. Februar gegenüber Reportern.

PUNCH steht für Polarimeter to Unify the Corona and Heliosphere (Polarimeter zur Vereinheitlichung von Korona und Heliosphäre) und besteht aus vier kleinen Satelliten, die im Tandem arbeiten, um 3D-Beobachtungen der inneren Heliosphäre zu erstellen. Die „Heliosphäre“ bezieht sich auf eine Region (ähnlich einer Blase) um die Sonne. Diese Region umschließt unser gesamtes Sonnensystem und entsteht durch die Teilchen des Sonnenwinds, die von der Sonne ausströmen und schließlich in das interstellare Medium drängen. Dadurch entsteht eine Barriere zwischen dem vom Sonnenwind beherrschten Teil des Weltraums und dem Rest des Universums, so dass unsere kosmische Nachbarschaft in einer Art Sonnenwindkammer verbleibt.

„Unsere Heliosphäre ist ein massives, gigantisches Objekt, das sich so weit von der Sonne entfernt erstreckt, und PUNCH wird eine Verbindung vom sonnennächsten zum sonnenfernsten Ende herstellen“, erklärte Joe Westlake, der Direktor der Heliophysik-Abteilung der NASA am Hauptsitz der Behörde, gegenüber Reportern während der Telefonkonferenz.

Aber was die Wissenschaftler wirklich zu entdecken hoffen, ist, wie die Korona zur Heliosphäre wird. „PUNCH wird ein wirklich großer Vereinheitlicher sein“, sagte Nicholeen Viall, PUNCH-Missionswissenschaftlerin am Goddard Space Flight Center der NASA in Maryland, während der Telefonkonferenz.

Dies könnte weitreichende Auswirkungen haben, die vor allem damit zu tun haben, wie gut wir bittersüße Weltraumwetterereignisse vorhersagen können, die uns gleichzeitig wunderschöne Polarlichter und Gefahren für das Stromnetz bescheren.

Wie PUNCH funktioniert

Es gibt einige Schlüsselaspekte für die Funktionsweise von PUNCH. Zunächst einmal handelt es sich, wie bereits erwähnt, nicht um ein einziges Raumfahrzeug, sondern um eine Konstellation von vier, die in verschiedenen Bereichen der niedrigen Erdumlaufbahn stationiert sein werden. Der Grund für dieses Quartett ist sehr interessant und in der Tat kein unbekanntes Konzept in der Weltraumforschung.

„Wir brauchen zwei Arten von Instrumenten“, sagte DeForest, „eines, das nahe an der Sonne ist, wo sie hell ist, und eines, das weiter von der Sonne entfernt ist, wo sie schwächer ist – aber die Instrumente, die weiter entfernt sind, haben ein Problem: Es ist ein Planet im Weg, in Form der Erde.“

Es gibt jedoch eine Lösung.

„Wir mussten das Instrument entweder sehr weit von der Erde entfernt bauen, was zu teuer gewesen wäre“, sagte DeForest. „Oder wir mussten es so groß wie die Erde machen.“

Das Team entschied sich für Letzteres. Natürlich ist es nicht einfach – und vielleicht sogar unmöglich? – ein erdgroßes Raumschiff mit der uns zur Verfügung stehenden Technologie zu bauen. Also entschieden sich die Wissenschaftler für die nächstbeste Lösung. „Alles, was wir tun mussten, war, es in drei Teile zu zerlegen und auf drei verschiedene Raumfahrzeuge zu montieren“, sagte DeForest. „Deshalb haben wir drei Weitwinkelkameras.“

Das Konzept ähnelt der Art und Weise, wie das Team des Event Horizon Telescope (EHT) das erste (und zweite) Bild eines Schwarzen Lochs aufgenommen hat, das von der Menschheit erfasst wurde. Die EHT-Forscher erkannten, dass sie dafür ein Teleskop benötigen, das so groß wie die Erde ist. Also verteilten sie eine Reihe von Teleskopen über verschiedene Bereiche des Planeten und fügten später alle Daten zusammen.

Der letzte Teil von PUNCH – das vierte Mitglied der Satellitenkonstellation – ist ein Narrow-Field-Imager, der vom Naval Research Laboratory in Washington, D.C., gebaut wurde und anders als die anderen drei funktioniert. Erinnern Sie sich daran, wie die natürliche totale Sonnenfinsternis im Jahr 2024 aussah: ein zarter weißer Halo um einen dunklen Kreis. Der weiße Halo war die Korona der Sonne, und der dunkle Kreis war die Silhouette des Mondes. Das ist die gleiche Idee.

„PUNCH wird eine totale Sonnenfinsternis sehen; die Korona sehen; sehen, wie sie sich nach außen ausbreitet, aber es ist sogar noch besser als eine Sonnenfinsternis – weil man sie nicht nur für die paar Minuten sehen kann, in denen der Mond den Hauptkörper der Sonne verdeckt und man die Korona sehen kann, sondern weil PUNCH eine künstliche Sonnenfinsternis macht, können wir sie die ganze Zeit über sehen, und wir können sie in High Definition sehen“, sagte Viall.

„Wenn man sich vorstellt, die Sonnenfinsternis an einem echten Himmel zu sehen, erstreckt sich das, was PUNCH zu sehen bekommt, von direkt über dem Kopf bis zum Horizont“, fügte sie hinzu. „Das ist ein enormes Volumen des Sonnensystems.“

Aber das ist nur die Hälfte der Geschichte. Der zweite wichtige Aspekt von PUNCH ist, dass es ein Polarimeter ist, das sich eine Eigenschaft des Lichts zunutze macht, die Polarisation genannt wird.

„Ein Polarimeter ist eine Kamera, die polarisiertes Licht messen kann, so wie man es durch eine polarisierte Sonnenbrille sehen kann, und wir nutzen das, um zu messen, was wir in drei Dimensionen abbilden“, sagt DeForest.

„Alles, was wir um uns herum sehen, außer der Lichtquelle selbst, wird von einer Oberfläche oder einem Objekt im Weltraum gestreut“, fügte er hinzu. „Wenn wir also den Sonnenwind betrachten, sehen wir Sonnenlicht, das an dem Material, das wir sehen, gestreut wird. Durch diesen Streuungsprozess wird das Licht polarisiert, und der Grad der Polarisation gibt Aufschluss darüber, wo sich das Objekt in drei Dimensionen befindet.“

Willkommene Nebeneffekte

PUNCH sollte, wenn alles nach Plan läuft, in der Lage sein, Dinge über die Sonne zu enthüllen, die über die Vereinigung von Korona und Heliosphäre hinausgehen. Das Team sagt zum Beispiel, dass dies die Weltraumwettervorhersagen sehr wohl verändern könnte, was bedeutet, dass wir vielleicht in der Lage sein werden, den Zeitpunkt eines Sonnensturms mit größerer Genauigkeit als bisher zu bestimmen. Das ist natürlich gut für Polarlichtjäger, aber auch für den Fall, dass ein größerer Sturm auf uns zukommt, der zum Beispiel Astronauten bei einem Weltraumspaziergang verletzen könnte.

„Wir erwarten, dass wir die Vorhersage des Weltraumwetters revolutionieren werden“, sagte DeForest. „Wir sind die erste Mission, die in der Lage ist, Weltraumwetterereignisse in drei Dimensionen routinemäßig im gesamten Sonnensystem zu verfolgen“.

PUNCH wird auch mit anderen Sonnensonden zusammenarbeiten, darunter die bahnbrechende Parker-Sonnensonde, die immer wieder buchstäblich in die Korona der Sonne eintaucht, zuletzt an Heiligabend des vergangenen Jahres.

„Zusammen werden die beiden Missionen die ersten komplementären Datensätze liefern, die zeigen, wie die Sonne den Sonnenwind und das Weltraumwetter hervorruft, die einen Faktor von einer Milliarde umfassen“, sagte DeForest. „Das ist so, als würde man gleichzeitig die Anatomie eines sprintenden Leichtathletikstars und die individuellen Bewegungen der Glukosemoleküle in den Muskeln dieses Läufers verfolgen und messen.“

Und schließlich weist DeForest auf einen besonderen „Nebeneffekt“ der PUNCH-Hauptwissenschaft hin: „Wir werden eine neue Astronomie ermöglichen, indem wir die weltweit umfassendste polarimetrische Sternkarte von etwas mehr als drei Vierteln des sichtbaren Himmels erstellen.“