Raumsonde Solar Orbiter bringt neue Erkenntnisse über das Magnetfeld der Sonne

Die von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) geleitete Raumsonde Solar Orbiter ist dank ihrer neuen Umlaufbahn um die Sonne die erste, die die Pole der Sonne von außerhalb der Ekliptikebene abbildet. Der einzigartige Blickwinkel von Solar Orbiter wird das Verständnis des Magnetfelds der Sonne, des Sonnenzyklus und der Funktionsweise des Weltraumwetters verändern.

Bild: ESA & NASA/Solar Orbiter/EUI Team, D. Berghmans (ROB)

Jedes Bild, das man jemals von der Sonne gesehen hat, wurde aus der Nähe des Sonnenäquators aufgenommen. Das liegt daran, dass die Erde, die anderen Planeten und alle anderen Raumfahrzeuge die Sonne in einer flachen Scheibe umkreisen, die Ekliptikebene genannt wird. Indem Solar Orbiter seine Umlaufbahn aus dieser Ebene herauskippt, zeigt er die Sonne aus einem völlig neuen Blickwinkel.

„Heute enthüllen wir die ersten Ansichten des Sonnenpols, die die Menschheit je gesehen hat“, sagt Prof. Carole Mundell, die Wissenschaftsdirektorin der ESA. "Die Sonne ist unser nächstgelegener Stern, Spender von Leben und potenzieller Störfaktor für moderne Raumfahrt- und Energieversorgungssysteme. Diese neuen, einzigartigen Einblicke unserer Solar Orbiter-Mission sind der Beginn einer neuen Ära der Sonnenforschung".

Alle Augen auf den Südpol der Sonne

Eine Collage der ESA zeigt den Südpol der Sonne, wie er am 16. und 17. März 2025 aufgenommen wurde, als Solar Orbiter die Sonne aus einem Winkel von 15° unterhalb des Sonnenäquators betrachtete. Dies war die erste Beobachtungskampagne der Mission aus einem größeren Winkel, wenige Tage bevor der derzeitige maximale Beobachtungswinkel von 17° erreicht wurde.

„Wir wussten nicht genau, was wir von diesen ersten Beobachtungen erwarten konnten - die Pole der Sonne sind buchstäblich terra incognita“, sagt Prof. Sami Solanki, der das Team des PHI-Instruments vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Deutschland leitet.

Die Instrumente beobachten die Sonne jeweils auf unterschiedliche Weise. PHI bildet die Sonne im sichtbaren Licht ab und kartiert das Magnetfeld der Sonnenoberfläche. EUI bildet die Sonne im ultravioletten Licht ab und enthüllt das millionenfach geladene Gas in der äußeren Atmosphäre der Sonne, der Korona. Das SPICE-Instrument fängt das Licht ein, das von den verschiedenen Temperaturen des geladenen Gases oberhalb der Sonnenoberfläche stammt, und enthüllt so die verschiedenen Schichten der Sonnenatmosphäre.

Durch den Vergleich und die Analyse der sich ergänzenden Beobachtungen dieser drei bildgebenden Instrumente kann daraus gelernt werden, wie sich das Material in den äußeren Schichten der Sonne bewegt. Dabei könnten unerwartete Muster zum Vorschein kommen, wie z. B. polare Wirbel (wirbelndes Gas), ähnlich denen, die um die Pole von Venus und Saturn zu sehen sind.

Diese bahnbrechenden neuen Beobachtungen sind auch der Schlüssel zum Verständnis des Magnetfelds der Sonne und der Frage, warum es sich etwa alle 11 Jahre umkehrt, was mit einem Höhepunkt der Sonnenaktivität zusammenfällt. Die derzeitigen Modelle und Vorhersagen des 11-jährigen Sonnenzyklus sind nicht in der Lage, genau vorherzusagen, wann und wie stark die Sonne ihren aktivsten Zustand erreichen wird.  

Unordentlicher Magnetismus beim solaren Maximum

Eine der ersten wissenschaftlichen Erkenntnisse aus den Polarbeobachtungen von Solar Orbiter ist die Entdeckung, dass das Magnetfeld der Sonne am Südpol derzeit ein einziges Durcheinander ist. Während ein normaler Magnet einen klaren Nord- und Südpol hat, zeigen die Magnetfeldmessungen des PHI-Instruments, dass am Südpol der Sonne sowohl Magnetfelder mit Nord- als auch mit Südpolarität vorhanden sind.

Dies geschieht nur für eine kurze Zeit während eines jeden Sonnenzyklus, nämlich beim Sonnenmaximum, wenn das Magnetfeld der Sonne umschlägt und am aktivsten ist. Nach der Umkehrung des Feldes sollte sich langsam eine einzige Polarität aufbauen und an den Sonnenpolen die Oberhand gewinnen. In 5-6 Jahren wird die Sonne ihr nächstes solares Minimum erreichen, in dem ihr Magnetfeld am geordnetsten ist und die Sonne ihre geringste Aktivität aufweist.

„Wie genau dieser Aufbau vonstatten geht, ist noch immer nicht vollständig geklärt. Solar Orbiter hat hohe Breitengrade genau zum richtigen Zeitpunkt erreicht, um den gesamten Prozess aus seiner einzigartigen und vorteilhaften Perspektive zu verfolgen“, erklärt Sami.  

Der Blick des PHI auf das gesamte Magnetfeld der Sonne setzt diese Messungen in einen Kontext. Je dunkler die Farbe (rot/blau), desto stärker ist das Magnetfeld entlang der Sichtlinie von Solar Orbiter zur Sonne. 

Die stärksten Magnetfelder finden sich in zwei Bereichen auf beiden Seiten des Sonnenäquators. Die dunkelroten und dunkelblauen Regionen markieren aktive Regionen, in denen sich das Magnetfeld in Sonnenflecken auf der Sonnenoberfläche (Photosphäre) konzentriert.  

Gleichzeitig sind sowohl der Süd- als auch der Nordpol der Sonne mit roten und blauen Flecken gesprenkelt. Dies zeigt, dass das Magnetfeld der Sonne auf kleinen Skalen eine komplexe und sich ständig verändernde Struktur aufweist.

SPICE misst zum ersten Mal Bewegungen

Eine weitere interessante „Premiere“ für Solar Orbiter ist das Instrument SPICE. Als abbildender Spektrograph misst SPICE das Licht (Spektrallinien), das von bestimmten chemischen Elementen - darunter Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff, Neon und Magnesium - bei bekannten Temperaturen ausgesandt wird. In den letzten fünf Jahren hat SPICE auf diese Weise aufgezeigt, was in den verschiedenen Schichten über der Sonnenoberfläche geschieht.  

Nun ist es dem SPICE-Team zum ersten Mal gelungen, durch die präzise Verfolgung von Spektrallinien zu messen, wie schnell sich Klumpen von Sonnenmaterial bewegen. Dies ist eine so genannte „Doppler-Messung“, benannt nach dem gleichen Effekt, der dafür sorgt, dass die Sirenen vorbeifahrender Krankenwagen ihre Tonhöhe ändern, wenn sie vorbeifahren.  

Die sich daraus ergebende Geschwindigkeitskarte zeigt, wie sich das Sonnenmaterial innerhalb einer bestimmten Schicht der Sonne bewegt. Unten können Sie die Position und Bewegung von Teilchen (Kohlenstoffionen) in einer dünnen Schicht, der so genannten „Übergangsregion“, direkt vergleichen, in der die Temperatur der Sonne schnell von 10 000 Grad Celsius auf Hunderttausende von Grad ansteigt.

Entscheidend ist, dass Dopplermessungen Aufschluss darüber geben können, wie die Teilchen in Form des Sonnenwindes von der Sonne weggeschleudert werden. Die Aufdeckung, wie die Sonne den Sonnenwind erzeugt, ist eines der wichtigsten wissenschaftlichen Ziele von Solar Orbiter.

"Dopplermessungen des von der Sonne ausgehenden Sonnenwinds durch aktuelle und frühere Raumfahrtmissionen wurden durch die streifende Sicht auf die Sonnenpole behindert. Messungen aus hohen Breitengraden, die jetzt mit Solar Orbiter möglich sind, werden eine Revolution in der Sonnenphysik darstellen", sagt der Leiter des SPICE-Teams, Frédéric Auchère von der Universität Paris-Saclay (Frankreich).

Das Beste steht noch bevor

Dies sind nur die ersten Beobachtungen, die Solar Orbiter von seiner neu geneigten Umlaufbahn aus gemacht hat, und ein Großteil dieses ersten Datensatzes muss noch weiter analysiert werden. Der vollständige Datensatz von Solar Orbiter's erstem vollständigen „Pol-zu-Pol“-Flug an der Sonne vorbei wird voraussichtlich im Oktober 2025 auf der Erde eintreffen. Alle zehn wissenschaftlichen Instrumente von Solar Orbiter werden in den kommenden Jahren noch nie dagewesene Daten sammeln.

"Dies ist nur der erste Schritt auf der ‚Treppe zum Himmel‘ von Solar Orbiter: In den kommenden Jahren wird die Sonde weiter aus der Ekliptikebene aufsteigen, um immer bessere Einblicke in die Polarregionen der Sonne zu erhalten. Diese Daten werden unser Verständnis des Magnetfelds der Sonne, des Sonnenwinds und der Sonnenaktivität verändern", erklärt Daniel Müller, ESA-Projektwissenschaftler für Solar Orbiter.

Quelle (Englisch): https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Solar_Orbiter/Solar_Orbiter_gets_world-first_views_of_the_Sun_s_poles