Nahaufnahmen von der Sonne

Solar Orbiter fängt Bilder des Tagesgestirns aus nur 77 Millionen Kilometer Entfernung ein

16. Juli 2020

Wenige Monate nach ihrem Start ins All hat die ESA-Raumsonde Solar Orbiter Bilder der Sonne aus bisher unerreichter Nähe eingefangen. Darin zeigen sich unter anderem in der Sonnenatmosphäre Strukturen, die sich möglicherweise als sogenannte Nano-Flares, sehr kleine Strahlungsausbrüche, deuten lassen. Die Aufnahmen der insgesamt sechs abbildenden Instrumente, die heute veröffentlicht wurden, entstanden in den Tagen vor und nach dem 15. Juni, als die Raumsonde den sonnennächsten Punkt ihrer aktuellen Umlaufbahn erreichte. Nur 77 Millionen Kilometer trennten die Sonde von unserem Stern. Obwohl diese frühe Missionsphase in erster Linie der Inbetriebnahme der Instrumente dient, bieten die Daten bereits einen eindrucksvollen Beweis für Solar Orbiters einzigartig umfassenden Blick auf die Sonne - von den Magnetfeldern an der Oberfläche bis zu den Teilchen, die als Sonnenwind ins All strömen. Das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen ist ein wichtiger Partner der Mission und an vier der Instrumente maßgeblich beteiligt.

Der Extreme Ultraviolet Imager (EUI) an Bord von Solar Orbiter hat diese Bilder am 30. Mai 2020 aufgenommen. Sie zeigen die Sonne im besonders kurzwel Bild vergrößern
Der Extreme Ultraviolet Imager (EUI) an Bord von Solar Orbiter hat diese Bilder am 30. Mai 2020 aufgenommen. Sie zeigen die Sonne im besonders kurzwelligen ultravioletten Licht bei einer Wellenlänge von 17 Nanometern. Bei dieser Wellenlänge wird die obere Atmosphäre der Sonne mit einer Temperatur von eine Million Grad sichtbar.

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Eines dieser Instrumente ist der Extreme-Ultraviolet Imager (EUI), zu dem das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung eines von insgesamt drei Teleskopen beigesteuert hat. Das Instrument blickt in verschiedene Schichten der Korona, der heißen, äußeren Atmosphäre der Sonne, die in erster Linie ultraviolettes Licht abstrahlt. Da UV-Licht zum größten Teil in der Erdatmosphäre absorbiert wird, steht es selbst den leistungsstärksten und größten erdgebundenen Sonnenteleskopen nicht zur Verfügung. Schon jetzt bietet EUI deshalb den schärfsten Blick auf diese Sonnenregion.

Im besonders kurzwelligen UV-Licht finden sich in den Aufnahmen von EUI kleine, helle Flecken, kaum mehr als 700 Kilometer im Durchmesser. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler halten es für möglich, dass es sich um sogenannte Nano-Flares handelt - deutlich kleinere Versionen der gewaltigen Strahlungsausbrüche unseres Sterns, die weit ins All reichen und sich bis zur Erde auswirken können. „Die größeren dieser Mini-Ausbrüche kennen wir bereits aus den Aufnahmen anderer Raumsonden; die vielen, vielen kleineren sehen wir jetzt zum ersten Mal“, erklärt Max-Planck-Forscher Udo Schühle aus dem Führungsteam von EUI. Völlig überraschend war, wie häufig dieses Phänomen auftritt. „Die Korona ist offenbar voll von solchen Mini-Ausbrüchen“, so Schühle.

Diese Aufnahmen der Sonne wurden mit dem HRILYA-Teleskop von EUI erzeugt. Sie zeigen die Sonnenatmosphäre unterhalb der heißen Korona bei einer Wellen Bild vergrößern
Diese Aufnahmen der Sonne wurden mit dem HRILYA-Teleskop von EUI erzeugt. Sie zeigen die Sonnenatmosphäre unterhalb der heißen Korona bei einer Wellenlänge von 121,6 Nanometern. Dieser Abschnitt der unteren Sonnenatmosphäre hat eine Temperatur von etwa 10.000 bis 100.000 Grad. Das Muster entsteht durch konvektive Bewegungen in tieferen Schichten, aber einzelne helle Merkmale innerhalb dieses Musters können den Spuren von magnetischen Strukturen weiter oben in der Korona entsprechen. [weniger]

Gerade deshalb könnten Nano-Flares eine Erklärung bieten für die rätselhaft hohen Temperaturen in der Korona. Mit einer Million Grad liegen diese 200-fach über denen der darunterliegenden Photosphäre. Um zu verstehen, wodurch die Nano-Flares entstehen und wie sie die Korona mit Energie versorgen, ist ein Blick in tieferliegende Schichten nötig. Spuren der hellen Flecken finden sich auch in EUI-Aufnahmen der unteren Korona. Diese Region bildet das hochauflösende Teleskop von EUI ab, das am Göttinger Mac-Planck-Institut entwickelt und gebaut wurde.

Doch wie entstehen diese Phänomene? Welche Prozesse an der Oberfläche der Sonne sind ursächlich? Und welche Rolle spielen die Magnetfelder unseres Sterns? Solche Fragen zu beantworten, ist die Stärke von Solar Orbiter. Sechs abbildende Instrumente mit insgesamt zehn Teleskopen blicken in verschiedene Schichten der Sonne, von der sichtbaren Oberfläche über Photosphäre und Korona bis zur Übergangsregion von Sonnenatmosphäre und innerer Heliosphäre. Vier weitere Instrumente, die sogenannten in-situ Instrumente, vermessen den Sonnenwind, der die Raumsonde umströmt. Mehr als jede andere Mission zuvor ist Solar Orbiter in der Lage, all diese Regionen und Phänomene mit einander in Beziehung zu setzen und so einen einzigartig umfassenden Blick auf die Sonne als Ganzes zu ermöglichen.

Aufnahmen des Polarimetric and Helioseismic Imager (PHI). Die linke Spalte zeigt die Sonne im sichtbaren Licht. Oben: Diese Aufnahme entstand am 18. J Bild vergrößern
Aufnahmen des Polarimetric and Helioseismic Imager (PHI). Die linke Spalte zeigt die Sonne im sichtbaren Licht. Oben: Diese Aufnahme entstand am 18. Juni 2020 und zeigt die ganze Sonnenscheibe. Da die Sonne derzeit nur sehr wenig aktiv ist, sind keine Sonnenflecken zu sehen. Unten ist eine Nahaufnahme des hochauflösenden PHI-Teleskops vom 28. Mai 2020 zu sehen. Das Gebiet hat eine Größe von etwa 200.000 mal 200.000 km und befindet sich in der Mitte der Sonne. Die Aufnahme zeigt das Granulationsmuster der Sonne, das durch die Bewegung von heißem Plasma unter der sichtbaren Sonnenoberfläche entsteht. Die mittlere Spalte zeigt die Magnetfelder der Sonne. Im unteren Bild ist rechts unten eine aktive Region zu sehen. Die rechte Spalte gibt die Geschwindigkeit wieder, mit der sich das Sonnenplasma auf den Beobachter zu oder wegbewegt. Der Wechsel von Blau zu Rot innerhalb der Bilder ist durch die Rotation der Sonnen erklärbar. [weniger]

Auf die Sonnenoberfläche blickt der am Göttinger Max-Planck Institut entwickelte und gebaute Polarimetric und Helioseismic Imager (PHI). „Die magnetischen Strukturen an der Oberfläche der Sonne, die PHI sichtbar macht, sind die treibende Kraft hinter allen Prozessen, die Solar Orbiter in den äußeren Sonnenschichten beobachtet“, sagt Direktor Sami K. Solanki, wissenschaftlicher Leiter von PHI. Aus der Stärke und Richtung der Magnetfelder an der Sonnenoberfläche können die Forscherinnen und Forscher berechnen, wie sich die Magnetfelder in die weiter außenliegenden Schichten fortsetzen. Erste Rechnungen dieser Art liegen bereits vor und können helfen, die beobachteten Vorgänge in Photosphäre und Korona zu erklären.

Aufnahmen von PHI: Das Bild oben links wurde am 18. Juni 2020 mit dem Full-Disc Telescope von PHI aufgenommen. Es zeigt die Sonne, wie sie mit bloßem Bild vergrößern
Aufnahmen von PHI: Das Bild oben links wurde am 18. Juni 2020 mit dem Full-Disc Telescope von PHI aufgenommen. Es zeigt die Sonne, wie sie mit bloßem Auge erscheinen würde. Derzeit ist unser nächster Stern magnetisch ruhig; keine Sonnenflecken sind zu sehen. Das bedeutet aber nicht, dass es keine Magnetfelder gibt, welche die Sonnenoberfläche und die Atmosphäre durchziehen. Das Bild unten links wurde am 28. Mai 2020 mit dem hochauflösenden PHI-Teleskop aufgenommen. Es handelt sich um ein Magnetogramm, das eine Fläche von etwa 200.000 mal 200.000 Kilometer auf der Sonnenoberfläche zeigt. Die kleinen Strukturen sind magnetische Regionen entgegengesetzter Polarität, von denen einige eine Größe von einigen 1000 Kilometer haben. Das Bild unten rechts zeigt eine Extrapolation der von den magnetischen Strukturen ausgehenden Magnetfeldlinien in die obere Sonnenatmosphäre. Das Bild oben rechts zeigt das sichtbare Erscheinungsbild dieses Bereichs auf der Sonnenoberfläche. [weniger]

In den Aufnahmen von PHI findet sich zudem eine aktive Region auf der Oberfläche der Sonne. Solche eng benachbarten Regionen entgegengesetzter magnetischer Polarisation sind oftmals Ausgangspunkte für Sonnenflecken. Anders als die meisten Sonnenspäher im All, die aus der Nähe der Erde auf die Sonne blicken, hatte Solar Orbiter zu diesem Zeitpunkt bereits eine völlig neuartige Perspektive. Etwa 70 Grad trennten die Sonde von der Sichtlinie zwischen Sonne und Erde. „Von der Erde aus betrachtet war diese aktive Region nicht sichtbar“, sagt Solanki.

Trotz dieser ersten Erkenntnisse und Erfolge sind die aktuellen Aufnahmen noch nicht Teil der wissenschaftlichen Messkampagne von Solar Orbiter. Für die abbildenden Instrumente beginnt diese erst 2022 in deutlich geringerer Entfernung von der Sonne. „In den vergangenen Wochen ging es vor allem darum zu testen, wie sich unsere Instrumente unter realen Weltraumbedingungen verhalten“, erklärt Johann Hirzberger aus dem PHI-Team. Neben PHI und EUI haben sich dabei auch die beiden anderen Instrumente mit Max-Planck-Beteiligung bewährt. Der Spectral Imager of the Coronal Environment (SPICE) und der Koronagraf Metis blicken ebenfalls in die heiße, äußere Hülle der Sonne und liefern weitere Puzzlestücke zum Gesamtbild der Sonne.

„SPICE rastert die Korona Stück für Stück ab und zerlegt das eingefangene UV-Licht in seine einzelnen Wellenlängen“,sagt Max-Planck-Wissenschaftler Hardi Peter aus dem Leitungsteam von SPICE. Daraus lässt sich auf die Häufigkeit bestimmter Elemente in der Korona schließen. Auch bei diesen Untersuchungen zeigt sich die Stärke von Solar Orbiter. Das in-situ Instrument Solar Wind Analyzer (SWA) analysiert die Häufigkeit derselben Elemente im Sonnenwind. „So können wir verstehen, was mit den Teilchen auf ihrem Weg von der Korona ins All geschieht“, so Peter.

Aufnahmen des Koronografen Metis vom 15. Mai 2020 (linke Spalte) und vom 21. Juni 2020 (rechte Spalte). Die grün gefärbten Bilder zeigen die Korona im Bild vergrößern
Aufnahmen des Koronografen Metis vom 15. Mai 2020 (linke Spalte) und vom 21. Juni 2020 (rechte Spalte). Die grün gefärbten Bilder zeigen die Korona im sichtbaren Licht; die pink gefärbten Bilder zeigen die Korona in ultraviolettem Licht. Dies ist das erste Mal, dass mit einem Koronografen gleichzeitige Aufnahmen der Korona in verschiedenen Wellenlängen gelungen sind. [weniger]

Der Koronagraf Metis macht die Übergangsregion zwischen Korona und innerer Heliosphäre sichtbar. Anders als bei anderen Koronograf im Weltall erzeugt das Instrument die entsprechenden Ansichten innerhalb weniger Minuten und kann so auch dynamische Prozesse sichtbar machen. „Auch die räumliche Auflösung übertrifft schon jetzt die anderer Koronographen im Weltall“, sagt Luca Teriaca aus dem Metis-Leitungsteam und Forscher am Göttinger Max-Planck-Institut.

Allen Instrumenten zeigt sich die Sonne derzeit von ihrer ruhigen Seite. Erst in den nächsten Jahren, wenn sie ihr aktuelles Aktivitätsminimum verlassen hat, dürfte es auf der Sonne wieder dynamischer zugehen. Die abbildenden Instrumente von Solar Orbiter beginnen dann ihre Messkampange – und haben dann einen einzigartigen Blick auf das Sonnenfeuer.

BK / HOR

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Solar Orbiter startete am 10. Februar dieses Jahres von Cape Canaveral ins All. Die ESA-Mission, zu der auch die NASA beiträgt, ist mit insgesamt zehn wissenschaftlichen Instrumenten ausgerüstet. Während vier davon den Sonnenwind untersuchen, blicken sechs mit abbildenden Instrumenten auf die Sonne selbst. Im Laufe der Mission wird sich die Raumsonde der Sonne auf 42 Millionen Kilometer annähern, ein Abstand, der nur von der Parker Solar Probe der NASA unterboten wird, die jedoch nicht auf die Sonne schaut.  Zudem wird Solar Orbiter die Bahnebene, in der die Erde und die anderen Planeten um die Sonne kreisen, verlassen und so erstmals auf die Pole der Sonne schauen können.  
Das MPS hat zu vier der Instrumente beigetragen. Unter Leitung des MPS entstand der Polarimetric und Helioseismic Imager (PHI). Zudem hat das Institut maßgeblich beigetragen zum Extreme-Ultraviolet Imager (EUI), zum Spectral Imager of the Coronal Environment (SPICE) und zum Koronagraphen Metis.

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