21.10.2004 - SONNENWIND

Sonnenwind und Überschall

Wie weit der Sonnenwind ins All dringt, bleibt ein Rätsel

Volker Lange

Commander Pete Conrad war ein erfahrener Astronaut. Er war bereits schon einmal auf dem Mond gewesen, als man ihm im Mai 1973 die Leitung des ersten Weltraumlabors Skylab übertrug. Vielleicht war es seine Routine, die die ganze Mission rettete - denn der Flug begann fast mit einer Katastrophe. Als das Weltraumlabor ins All geschossen wurde, war es in ein Hitzeschutzschild eingepackt. Dieser sollte sich nach dem Eintreten in die Erdumlaufbahn öffnen und Skylab vor der sengenden Sonnenstrahlung schützen.

Doch die Verriegelungen lösten sich zu früh - bereits 60 Sekunden nach dem Start! Der enormer Flugwind zerrte an dem Schutzschild und riss es schließlich ab. Skylab, so schien es, würde nun schutzlos der mörderischen Sonnenstrahlung im All ausgesetzt sein.  Conrad reagierte prompt. Die Astronauten stiegen aus dem Labor aus und brachten von außen ein provisorisches Sonnensegel aus Wärmeschutzfolien an der Station an. Nur so konnte die Mission gerettet werden. Die Temperaturen in der Station sanken auf ein erträgliches Maß.

Neun Monate lang konnte die Station so in Betrieb bleiben. Drei sich abwechselnde Skylab-Besatzungen nahmen über 160.000 Bilder auf - etwa von den Sonnenflecken, jenen dunklen, also kühleren Stellen auf der Sonnenoberfläche, die bereits Galileo Galilei entdeckt hatte.
Die spektakulärste Entdeckung waren gewaltige Materieauswürfe aus der Sonnenkorona, die sogenannten "Coronal Mass Ejections". Was ist der Anlass für solche Ausbrüche? Die Antwort liegt im unzugänglichen Inneren der Sonne - und Galileis Sonnenflecken geben einen wichtigen Hinweise, um diese Frage zu beantworten.

Lange, bevor das Zeitalter der Raumfahrt anbrach, war der höchste Gipfel in den San Gabriel Mountains, der berühmte Mount Wilson, einer der Orte in den USA, wo man dem Weltraum besonders nahe sein konnte: 1903 verwirklichte George Ellery Hale, der Sohn eines wohlhabenden Ingenieurs, hier oben seinen Traum. Hoch über der Stadt Pasadena baute er das modernste astronomische Observa-torium seiner Zeit. Mit einem selbstgebauten Spektrographen machte sich Hale an die Untersuchung der Sonnenoberfläche.

Wenn er einen ruhigeren Teil der Oberfläche betrachtete, sahen die Absorptionslininen ganz normal aus. Sobald jedoch ein Sonnenfleck ins Bild kam, wurden sie breiter und begannen sich zu teilen. Hale begriff schnell, was das bedeutete: Magnetfelder! Die Flecken kommen durch starke Magnetfeldes zustande, rund viertausend Mal stärker als das Magnetfeld der Erde. Sie unterdrücken die Aufwärtsbewegung der Gase, kühlen die Oberfläche so um 2000 Grad ab und erzeugen damit die dunklen Flecken. Diese Magnetfelder halten auch die so genannten Protuberanzen zusammen, jene Eruptionen leuchtender Gase, die Tausende von Kilometern aus der Sonne herausschießen, bevor sie wieder von ihrer brodelnden Oberfläche aufgesogen werden.

Doch machen wir erst einmal einen Sprung von der brodelnden Sonne ins eiskalte norwegische Tromsö. Dort werden in einem Polarlicht-Observatorium Strahlungsphänomene in den äußeren Schichten der Erdatmosphäre beobachtet - ein Forschungsgebiet, das Norwegens berühmter Physiker Kristian Birkeland vor hundert Jahren begründete. Eine von Bikelands Ideen war die "Terrela": Eine Vakuum-Kammer mit einem kleinen Globus im Inneren, der die Erde darstellt. In dieser Kammer gelang es dem Forscher, ein künstliches Polarlicht zu erzeugen.

Man wusste schon damals, dass Polarlichter nach Phasen starker Sonnenaktivität besonders intensiv auftreten. Birkeland vermutete, dass die Magnetstürme, die das Polarlicht begleiten, von einem Strom elektrisch geladener Teilchen stammen, die auf das Magnetfeld der Erde einprasseln. Birkeland war fest davon überzeugt, dass diese Partikel von der Sonne stammen - doch damals fand sich niemand, der seine Theorie ernst genommen hätte.

1917 setzte Kristian Birkeland seinem Leben selbst ein Ende. Dass Birkelands Ideen keineswegs so absurd waren, wie seine Zeitgenossen glaubten, hätten alle am Himmel ablesen können. Schon im alten China hatte man beobachtet, dass die Schweife von Kometen immer von der Sonne wegzeigen. Man vermutete, dass ein sanfter Druck der Sonne die glitzernde Staubspur abstieß.

Doch erst 1947 vermutete der deutsche Physiker Ludwig Biermann, dass es etwas viel Stofflicheres als das Sonnenlicht sein musste, was die Plasmaschweife der Kometen in eine Richtung zwang. Biermann nannte dieses Medium "Solare Teilchenstrahlung". Seine Wissenschaftler-Kollegen wiesen die Idee jedoch einhellig zurück. Einzig Eugene Parker, ein junger Physiker aus Chicago, ließ sich davon nicht beeindrucken. Aus seiner Sicht hatte Biermanns Theorie einiges für sich.

Auch der berühmte Physiker Sidney Chapman gehörte damals zu jenen, die Biermanns Theorie heftig angriffen. Chapman vertrat die Meinung, kein einziges Teilchen, so klein es auch sein möge, könne der enormen Anziehungskraft der Sonne entkommen. Sie hat immerhin die 330.000fache Masse der Erde. Für die Idee vom Sonnenwind hatte Chapman nur Spott übrig und entwickelte seine eigene Theorie, wie die Sonne eine solche Fernwirkung entwickeln konnte. Er vermutete, dass die Korona - obwohl fest an die Sonne gebunden - dennoch sehr viel weiter ins All hinausreichte, als man bei einer totalen Sonnenfinsternis sehen kann.

Eugene Parker befasste sich mit dem offensichtlichen Widerspruch der beiden Theorien - und kam zu dem Schluss, dass sie beide stimmen. Er schrieb die Bewegungsgleichungen auf und integrierte sie. Zu einer starken Bindung an die Sonne und einem Druck, der gegen Null gehen muss, gab es nur eine Lösung - das war ein Sonnenwind mit Überschallgeschwindigkeit. Nach Parkers Berechnungen verfügt die Korona-Materie über genügend thermische Energie, um der Gravitationskraft der Sonne zu entkommen und mit einer Geschwindigkeit von 500 Kilometern pro Sekunde ins All zu strömen. Doch als Parker diese Theorie schließlich veröffentlichte, wurde er selbst mit Spott überschüttet. "Selbst meine Freunde sagten: Wirklich, deine Idee ist großartig, aber mit großartigen Ideen erlebt man oft eine Bauchlandung. Ich sagte nur: Wir werden sehen, wer hier eine Bauchlandung macht."

Eugene Parker musste fünf Jahre warten, bis seine Theorie bestätigt wurde. 1962 startete die erste interplanetare Raumsonde Mariner 2 zur Venus - ausgerüstet mit Teilchen-Detektoren, die feststellen sollten, ob das All wirklich so leer war, wie es aussah. Die Signale von Mariner 2 waren eindeutig: Der Weltraum ist angefüllt mit einem Sonnenwind, dessen Geschwindigkeit Parkers Schätzungen sogar noch übertrifft. Der Plasma-Detektor zeigte, dass es diesen Wind ständig und überall gibt - mit einer Geschwindigkeit von 300 bis 800 Kilometern pro Sekunde!

Die modernen Weltraumteleskope schließlich haben bewiesen, wie komplex der Sonnenwind tatsächlich ist: Vom Äquator der Sonne löst sich ein ständiger Strom von Teilchen. Hin und wieder brechen gewaltige Teilchen-Böen aus dem Schwerkraft- und Magnetfeld der Sonne aus. Diesen Stürmen aus elektrisch geladenen Teilchen sind die Planeten des Sonnensystems ständig ausgesetzt.

Die Erde besitzt als einziger innerer Planet ein Magnetfeld, das weit ins All hinausreicht. Es lässt den Sonnenwind abprallen und schützt so unsere Atmosphäre vor dem Abbau. Das Erdmagnetfeld wirkt wie ein Schutzkäfig gegen den Sonnenwind. Weil der Sonnenwind ständig gegen das Magnetfeld der Erde anströmt, wird es dabei zusammengedrückt. Und wenn der Druck sich erhöht, gelangen Teilchen entlang der Magnetfeldlinien in die Polarregionen der Erde, wo wir sie dann als Polarlicht in der höheren Atmosphäre sehen.

Bleibt die Frage: Wie weit reicht der Sonnenwind ins All hinaus? Als die ersten Raumsonden sich Jupiter näherten, registrierten sie deutliche Radiostrahlung: Sie wurden erzeugt durch den Zusammenprall des Sonnenwindes mit dem Magnetfeld des Planeten. Als dann die Raumsonde Voyager die äußeren Planeten ansteuerte, fing sie mit ihrer Antenne die gleichen charakteristischen Geräusche auf. Beim Verlassen von Neptun wurde Voyager immer noch vom Sonnenwind begleitet. Ein Ende schien nicht absehbar.

Dann, drei Jahre nach dem Überqueren der Plutobahn, ortete die Sonde einen mysteriösen Ausbruch von Radiostrahlung. Diese Signale wurde von der Bodenstation im kalifornischen Goldstone aufgefangen, wo man den Flug der Raumsonde verfolgte. Einer aus dem Voyager-Team dort war Don Gurnett. Er war damals vor allem damit beschäftigt, die Ausbreitung des Sonnenwinds zu verfolgen. "Wir wussten, dass er irgendwo vom interstellaren Gas gebremst werden würde - wir nennen diese Grenze die Heliopause."

Der Radioausbruch, den Voyager aufgefangen hatte, war völlig unerwartet gekommen. Innerhalb von drei Milliarden Kilometern gab es keinen Riesenplaneten. Was also konnte die Ursache sein? Anfangs konnte Burnett die Quelle des Signals nicht eindeutig bestimmen. Es hätte vom Jupiter oder Saturn kommen können, aber auch von einer sehr viel weiter entfernten Quelle.

Die Suche nach der Quelle führte Don Gurnett und seine Kollegen schließlich ins Zentrum unseres Sonnensystems: "Wir fanden eine Reihe gewaltiger koronaler Ausbrüche auf der Sonne, und zwar etwa 400 Tage vor dem Radioausbruch. Don Gurnett überprüfte noch einmal die Aufzeichnungen von Voyager. Wie sich zeigte, war die Sonde nach 100 Tagen von den Impulsen dieser Ausbrüche eingeholt worden. Weitere 300 Tage später war dieser Sonnensturm auf irgendeine magnetische Barriere gestoßen und verursachte die Radioemission, die Voyager gemessen hatte. War das die Heliopause?

Wenn Gurnetts Berechnungen stimmen, befindet sich die Heliopause in der vierfachen Entfernung des Pluto. Erst hier, weit draußen im dunklen Weltraum, endet also das Herrschaftsgebiet der Sonne.

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