Die Heliosphäre hindert viele kosmische Strahlen, die in diesem animierten Bild als helle Streifen zu sehen sind, daran, die Planeten unseres Sonnensystems zu erreichen.(Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab)
Dieser Artikel wurde ursprünglich bei The Conversation veröffentlicht. Die Publikation hat den Artikel zu kosmischeweiten.de’s Expert Voices beigetragen: Op-Ed & Insights.
Sarah Spitzer ist wissenschaftliche Mitarbeiterin im Bereich Klima- und Weltraumwissenschaften und -technik an der Universität von Michigan.
Die Sonne erwärmt die Erde und macht sie für Menschen und Tiere bewohnbar. Aber das ist nicht alles, was sie tut, sondern sie beeinflusst einen viel größeren Bereich des Weltraums. Die Heliosphäre, der Bereich des Weltraums, der von der Sonne beeinflusst wird, ist mehr als hundertmal so groß wie der Abstand zwischen der Sonne und der Erde.
Die Sonne ist ein Stern, der ständig einen konstanten Strom von Plasma – hochenergetisches ionisiertes Gas – ausstößt, der Sonnenwind genannt wird. Neben dem konstanten Sonnenwind stößt die Sonne auch gelegentlich Eruptionen von Plasma aus, die als koronale Massenauswürfe bezeichnet werden und zum Polarlicht beitragen können, sowie Licht- und Energieausbrüche, die als Flares bezeichnet werden.
Das von der Sonne kommende Plasma dehnt sich zusammen mit dem Magnetfeld der Sonne im Weltraum aus. Zusammen bilden sie die Heliosphäre im umgebenden lokalen interstellaren Medium – das Plasma, die neutralen Teilchen und der Staub, die den Raum zwischen den Sternen und ihren jeweiligen Astrosphären ausfüllen. Heliophysiker wie ich wollen die Heliosphäre und ihre Wechselwirkungen mit dem interstellaren Medium verstehen.
Die acht bekannten Planeten des Sonnensystems, der Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter und der Kuipergürtel – das Band von Himmelsobjekten jenseits von Neptun, zu dem auch der Planetoid Pluto gehört – befinden sich alle innerhalb der Heliosphäre. Die Heliosphäre ist so groß, dass Objekte im Kuipergürtel näher an der Sonne kreisen als an der nächsten Grenze der Heliosphäre.
Inhaltsübersicht
Erhalten Sie den kosmischeweiten.de Newsletter
Eine künstlerische Darstellung der Heliosphäre und ihrer Stellung im lokalen interstellaren Medium und in der Milchstraßengalaxie. Eine interstellare Sonde könnte weiter reisen als alle bisherigen Raumfahrzeuge und den Wissenschaftlern helfen, unsere Heliosphäre – den Einfluss der Sonne im Weltraum – von außen zu betrachten. (Bildnachweis: JHU/APL)
Heliosphärenschutz
Wenn ferne Sterne explodieren, stoßen sie große Mengen an Strahlung in Form von hochenergetischen Teilchen, die als kosmische Strahlung bekannt sind, in den interstellaren Raum aus. Diese kosmische Strahlung kann für lebende Organismen gefährlich sein und elektronische Geräte und Raumfahrzeuge beschädigen.
Die Erdatmosphäre schützt das Leben auf dem Planeten vor den Auswirkungen der kosmischen Strahlung, aber schon vorher wirkt die Heliosphäre selbst wie ein kosmischer Schutzschild vor den meisten interstellaren Strahlungen.
Neben der kosmischen Strahlung strömen ständig neutrale Teilchen und Staub aus dem lokalen interstellaren Medium in die Heliosphäre. Diese Teilchen können den Raum um die Erde beeinflussen und sogar die Art und Weise verändern, wie der Sonnenwind die Erde erreicht.
Supernovae und das interstellare Medium könnten auch die Entstehung des Lebens und die Entwicklung des Menschen auf der Erde beeinflusst haben. Einige Forscher gehen davon aus, dass die Heliosphäre vor Millionen von Jahren mit einer kalten, dichten Teilchenwolke im interstellaren Medium in Kontakt kam, die die Heliosphäre schrumpfen ließ und die Erde dem lokalen interstellaren Medium aussetzte.
Eine unbekannte Form
Wissenschaftler wissen jedoch nicht genau, welche Form die Heliosphäre hat. Die Modelle reichen von kugelförmig über kometenartig bis hin zu hörnchenförmig. Diese Vorhersagen variieren in ihrer Größe um das Hundert- bis Tausendfache der Entfernung von der Sonne zur Erde.
Wissenschaftler haben jedoch die Richtung, in die sich die Sonne bewegt, als „Nasenrichtung“ und die entgegengesetzte Richtung als „Schwanzrichtung“ definiert. Die Nasenrichtung sollte den kürzesten Abstand zur Heliopause haben – der Grenze zwischen der Heliosphäre und dem lokalen interstellaren Medium.
Eine künstlerische Darstellung der Heliosphäre – die wahre Form bleibt unbekannt. Es wurden Beschriftungen für die Sonne, die Heliopause und die Richtungen Nase und Schweif sowie ein Beispiel für die Flankenrichtung hinzugefügt. Es wird angenommen, dass die Voyager-Sonden während ihrer jahrzehntelangen Reise die Heliosphäre durchquert haben. (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)
Keine Sonde hat jemals einen guten Blick auf die Heliosphäre von außen geworfen oder das lokale interstellare Medium richtig erfasst. Dies könnte den Wissenschaftlern mehr über die Form der Heliosphäre und ihre Wechselwirkung mit dem lokalen interstellaren Medium, der Weltraumumgebung außerhalb der Heliosphäre, verraten.
Die Durchquerung der Heliopause mit der Voyager
Im Jahr 1977 startete die NASA die Voyager-Mission: Ihre beiden Raumsonden flogen an Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun im äußeren Sonnensystem vorbei. Wissenschaftler haben festgestellt, dass die Sonden nach der Beobachtung dieser Gasriesen im Jahr 2012 bzw. 2018 getrennt voneinander die Heliopause und den interstellaren Raum durchquert haben.
Voyager 1 und 2 sind zwar die einzigen Sonden, die jemals die Heliopause überquert haben, aber sie haben ihre vorgesehene Missionsdauer längst überschritten. Sie können nicht mehr die erforderlichen Daten liefern, da ihre Instrumente langsam ausfallen oder sich abschalten.
Diese Raumsonden wurden für die Untersuchung von Planeten und nicht des interstellaren Mediums konzipiert. Das bedeutet, dass sie nicht über die richtigen Instrumente verfügen, um alle Messungen des interstellaren Mediums oder der Heliosphäre vorzunehmen, die Wissenschaftler benötigen.
Das ist der Punkt, an dem eine mögliche interstellare Sondenmission ansetzen könnte. Eine Sonde, die über die Heliopause hinausfliegt, würde den Wissenschaftlern helfen, die Heliosphäre durch Beobachtung von außen zu verstehen.
Eine interstellare Sonde
Da die Heliosphäre so groß ist, würde eine Sonde Jahrzehnte brauchen, um die Grenze zu erreichen, selbst mit Hilfe der Schwerkraft eines massiven Planeten wie Jupiter.
Die Voyager-Sonde wird nicht mehr in der Lage sein, Daten aus dem interstellaren Raum zu liefern, lange bevor eine interstellare Sonde die Heliosphäre verlässt. Und wenn die Sonde erst einmal gestartet ist, wird es je nach Flugbahn etwa 50 oder mehr Jahre dauern, bis sie das interstellare Medium erreicht. Das heißt, je länger die NASA mit dem Start einer Sonde wartet, desto länger werden die Wissenschaftler keine Missionen in der äußeren Heliosphäre oder im lokalen interstellaren Medium durchführen können.
Die NASA erwägt die Entwicklung einer interstellaren Sonde. Diese Sonde würde Messungen des Plasmas und der Magnetfelder im interstellaren Medium vornehmen und die Heliosphäre von außen abbilden. Zur Vorbereitung hat die NASA mehr als 1.000 Wissenschaftler um Beiträge zu einem Missionskonzept gebeten.
Der ursprüngliche Bericht empfahl, dass die Sonde auf einer Flugbahn reisen sollte, die etwa 45 Grad von der Richtung der Heliosphäre entfernt ist. Diese Flugbahn würde einen Teil des Weges der Voyager zurückverfolgen und gleichzeitig einige neue Regionen des Weltraums erreichen. Auf diese Weise könnten die Wissenschaftler neue Regionen erforschen und einige teilweise bekannte Regionen des Weltraums wieder besuchen.
Diese Bahn würde der Sonde nur einen teilweise abgewinkelten Blick auf die Heliosphäre geben, und sie wäre nicht in der Lage, den Heliotail zu sehen, die Region, über die Wissenschaftler am wenigsten wissen.
Im Heliotenschwanz vermischt sich das Plasma, aus dem die Heliosphäre besteht, mit dem Plasma, aus dem das interstellare Medium besteht. Dies geschieht durch einen Prozess, der magnetische Rekonnektion genannt wird und der es geladenen Teilchen ermöglicht, aus dem lokalen interstellaren Medium in die Heliosphäre zu strömen. Genau wie die neutralen Teilchen, die durch die Nase eindringen, beeinflussen diese Teilchen die Weltraumumgebung innerhalb der Heliosphäre.
In diesem Fall sind die Teilchen jedoch geladen und können mit solaren und planetaren Magnetfeldern wechselwirken. Diese Wechselwirkungen finden zwar an den Grenzen der Heliosphäre statt, also sehr weit von der Erde entfernt, aber sie beeinflussen die Zusammensetzung des Inneren der Heliosphäre.
In einer neuen Studie, die in Frontiers in Astronomy and Space Sciences veröffentlicht wurde, haben meine Kollegen und ich sechs mögliche Startrichtungen von der Nase bis zum Schwanz untersucht. Wir fanden heraus, dass eine Flugbahn, die die Flanke der Heliosphäre in Richtung des Schwanzes schneidet, die beste Perspektive auf die Form der Heliosphäre bietet, anstatt nahe der Nase zu starten.
Eine Flugbahn entlang dieser Richtung würde den Wissenschaftlern die einmalige Gelegenheit bieten, eine völlig neue Region des Weltraums innerhalb der Heliosphäre zu untersuchen. Wenn die Sonde die Heliosphäre verlässt und in den interstellaren Raum eintritt, würde sie die Heliosphäre von außen in einem Winkel betrachten, der den Wissenschaftlern eine genauere Vorstellung von ihrer Form vermitteln würde – insbesondere in der umstrittenen Schwanzregion.
Unabhängig davon, in welche Richtung eine interstellare Sonde startet, wird die Wissenschaft, die sie liefert, von unschätzbarem Wert und buchstäblich astronomisch sein.
