Doppeltes Problem: Solar Orbiter verfolgt superschnelle Elektronen zurück zur Sonne

Die von der Europäischen Weltraumorganisation geleitete Mission Solar Orbiter hat die Flut energiereicher Teilchen, die von der Sonne ins All geschleudert werden, in zwei Gruppen unterteilt und jede dieser Gruppen auf eine andere Art von Ausbruch unseres Sterns zurückgeführt.

Bild: ESA

Die Sonne ist der energiereichste Teilchenbeschleuniger im Sonnensystem. Sie beschleunigt Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit und schleudert sie ins All, wodurch das Sonnensystem mit sogenannten „Solar Energetic Electrons“ (SEEs) überschwemmt wird.

Forscher haben nun mit Hilfe des Solar Orbiter die Quelle dieser energiereichen Elektronen lokalisiert und können nun das, was wir im Weltraum beobachten, auf das zurückführen, was tatsächlich auf der Sonne geschieht. Sie haben zwei Arten von SEE mit deutlich unterschiedlichen Ursachen gefunden: eine, die mit intensiven Sonneneruptionen (Explosionen aus kleineren Bereichen der Sonnenoberfläche) zusammenhängt, und eine, die mit größeren Ausbrüchen von heißem Gas aus der Sonnenatmosphäre (bekannt als „koronale Massenauswürfe“ oder CMEs) zusammenhängt.

„Wir sehen eine klare Trennung zwischen ‚impulsiven‘ Teilchenereignissen, bei denen diese energiereichen Elektronen in Form von Sonneneruptionen in Schüben von der Sonnenoberfläche abgeschossen werden, und ‚allmählichen‘ Ereignissen, die mit ausgedehnteren CMEs verbunden sind und über einen längeren Zeitraum eine breitere Welle von Teilchen freisetzen“, sagt der Hauptautor Alexander Warmuth vom Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) in Deutschland.

Ein klarerer Zusammenhang

Während Wissenschaftlern bekannt war, dass es zwei Arten von SEE-Ereignissen gibt, konnte Solar Orbiter eine große Anzahl von Ereignissen messen und dabei viel näher an die Sonne heranrücken als andere Missionen, um aufzudecken, wie sie entstehen und die Oberfläche unseres Sterns verlassen.

„Wir konnten diese beiden Gruppen nur identifizieren und verstehen, indem wir Hunderte von Ereignissen in unterschiedlichen Entfernungen von der Sonne mit mehreren Instrumenten beobachteten – etwas, das nur Solar Orbiter leisten kann“, fügt Alexander hinzu. „Indem wir so nah an unseren Stern herankamen, konnten wir die Teilchen in einem ‚unberührten‘ frühen Zustand messen und so genau bestimmen, wann und wo sie an der Sonne entstanden sind.“

Die Studie ist die bislang umfassendste Untersuchung von SEE-Ereignissen und erstellt einen Katalog, der während der gesamten Lebensdauer von Solar Orbiter weiter wachsen wird. Dabei wurden acht der zehn Instrumente von Solar Orbiter eingesetzt, um zwischen November 2020 und Dezember 2022 mehr als 300 Ereignisse zu beobachten.

„Es ist das erste Mal, dass wir diesen Zusammenhang zwischen energiereichen Elektronen im Weltraum und ihren Ursprungsereignissen auf der Sonne klar erkennen können“, fügt Co-Autor Frederic Schuller, ebenfalls vom AIP, hinzu.

„Wir haben die Teilchen vor Ort gemessen – das heißt, Solar Orbiter ist tatsächlich durch die Elektronenströme geflogen – und dabei den Energetic Particle Detector der Sonde verwendet, während wir gleichzeitig weitere Instrumente des Raumfahrzeugs einsetzten, um zu beobachten, was auf der Sonne geschah. Außerdem haben wir Informationen über die Weltraumumgebung zwischen der Sonne und dem Raumfahrzeug gesammelt.“

Flugverspätungen

Die Forscher haben die SEE-Ereignisse in unterschiedlichen Entfernungen von der Sonne entdeckt. So konnten sie untersuchen, wie sich die Elektronen auf ihrer Reise durch das Sonnensystem verhalten, und eine seit langem offene Frage zu diesen energiereichen Teilchen beantworten.

Wenn wir eine Sonneneruption oder eine CME beobachten, gibt es oft eine sichtbare Verzögerung zwischen dem, was wir auf der Sonne sehen, und der Freisetzung energiereicher Elektronen in den Weltraum. In extremen Fällen scheinen die Teilchen Stunden zu brauchen, um zu entweichen. Warum?

„Es hat sich herausgestellt, dass dies zumindest teilweise damit zusammenhängt, wie sich die Elektronen durch den Weltraum bewegen – es könnte sich um eine Verzögerung bei der Freisetzung handeln, aber auch um eine Verzögerung bei der Erkennung“, sagt Mitautorin und ESA-Forschungsstipendiatin Laura Rodríguez-García. „Die Elektronen stoßen auf Turbulenzen, werden in verschiedene Richtungen gestreut und so weiter, sodass wir sie nicht sofort erkennen. Diese Effekte verstärken sich, je weiter man sich von der Sonne entfernt.“

Der Raum zwischen der Sonne und den Planeten des Sonnensystems ist nicht leer. Ein Wind aus geladenen Teilchen strömt ständig von der Sonne aus und zieht das Magnetfeld der Sonne mit sich. Er füllt den Raum und beeinflusst die Bewegung der energiereichen Elektronen; statt sich frei bewegen zu können, werden sie durch diesen Wind und seinen Magnetismus eingeschränkt, gestreut und gestört.

Die Studie erfüllt ein wichtiges Ziel von Solar Orbiter: die kontinuierliche Beobachtung unseres Sterns und seiner Umgebung, um ausgestoßene Teilchen bis zu ihren Quellen an der Sonne zurückzuverfolgen.

„Dank Solar Orbiter lernen wir unsere Sonne besser kennen als je zuvor“, sagt Daniel Müller, ESA-Projektwissenschaftler für Solar Orbiter. „In den ersten fünf Jahren im Weltraum hat Solar Orbiter eine Vielzahl von Ereignissen mit hochenergetischen Elektronen beobachtet. Dadurch konnten wir detaillierte Analysen durchführen und eine einzigartige Datenbank aufbauen, die der weltweiten Gemeinschaft zur Verfügung steht.“

Die Sicherheit der Erde gewährleisten

Diese Erkenntnis ist von entscheidender Bedeutung für unser Verständnis des Weltraumwetters, wo genaue Vorhersagen unerlässlich sind, um den Betrieb und die Sicherheit unserer Raumfahrzeuge zu gewährleisten. Eine der beiden Arten von SEE-Ereignissen ist für das Weltraumwetter wichtiger: die mit CMEs verbundenen Ereignisse, die in der Regel mehr hochenergetische Teilchen enthalten und daher weitaus größere Schäden verursachen können. Aus diesem Grund ist die Unterscheidung zwischen den beiden Arten von energetischen Elektronen für unsere Vorhersagen von großer Bedeutung.

„Erkenntnisse wie diese aus dem Solar Orbiter werden dazu beitragen, andere Raumfahrzeuge in Zukunft zu schützen, indem sie uns ein besseres Verständnis der energiereichen Teilchen der Sonne vermitteln, die unsere Astronauten und Satelliten bedrohen“, fügt Daniel hinzu. „Die Forschung ist ein wirklich großartiges Beispiel für die Kraft der Zusammenarbeit – sie war nur dank des gebündelten Fachwissens und der Teamarbeit europäischer Wissenschaftler, Instrumententeams aus allen ESA-Mitgliedstaaten und Kollegen aus den USA möglich.“

Mit Blick auf die Zukunft wird die Vigil-Mission der ESA einen revolutionären Ansatz verfolgen, indem sie erstmals die „Seite“ der Sonne operativ beobachtet und so kontinuierliche Einblicke in die Sonnenaktivität ermöglicht. Vigil soll 2031 starten und potenziell gefährliche Sonnenereignisse erkennen, bevor sie von der Erde aus sichtbar werden, sodass wir im Voraus über ihre Geschwindigkeit, Richtung und Wahrscheinlichkeit eines Aufpralls informiert sind.

nser Verständnis davon, wie unser Planet auf Sonnenstürme reagiert, wird mit dem Start der Smile-Mission der ESA im nächsten Jahr ebenfalls weiter erforscht werden. Smile wird untersuchen, wie die Erde dem unerbittlichen „Wind“ und den sporadischen Ausbrüchen heftiger Teilchen standhält, die von der Sonne in unsere Richtung geschleudert werden, und dabei erforschen, wie die Teilchen mit dem schützenden Magnetfeld unseres Planeten interagieren.

Solar Orbiter ist eine Weltraummission, die in internationaler Zusammenarbeit zwischen der ESA und der NASA durchgeführt und von der ESA betrieben wird.

Quelle (Englisch): https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Solar_Orbiter/Double_trouble_Solar_Orbiter_traces_superfast_electrons_back_to_Sun