Die NASA plant eine interstellare Sonde zur Erforschung der Heliosphäre, der von der Sonne beeinflussten Region des Weltraums

Die Sonne erwärmt die Erde und macht sie für Menschen und Tiere bewohnbar. Aber das ist noch nicht alles, und es betrifft einen viel größeren Raumbereich. Die Heliosphäre, der von der Sonne beeinflusste Raumbereich, ist mehr als hundertmal größer als der Abstand zwischen Sonne und Erde.

Die Sonne ist ein Stern, der ständig einen stetigen Plasmastrom aussendet – ein hochenergetisches ionisiertes Gas – den sogenannten Sonnenwind. Zusätzlich zum konstanten Sonnenwind setzt die Sonne gelegentlich Plasmaausbrüche frei, sogenannte koronale Massenauswürfe, die zu Polarlichtern führen können, sowie Licht- und Energieausbrüche, sogenannte Flares.

Plasma von der Sonne breitet sich zusammen mit dem solaren Magnetfeld durch den Weltraum aus. Zusammen bilden sie die Heliosphäre innerhalb des umgebenden lokalen interstellaren Mediums: das Plasma, neutrale Teilchen und Staub, die den Raum zwischen Sternen und ihren jeweiligen Astrosphären füllen. 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 in der Heliosphäre. Die Heliosphäre ist so groß, dass Objekte des Kuipergürtels näher an der Sonne kreisen als am nächsten Rand der Heliosphäre.

Schutz der Heliosphäre

Wenn entfernte Sterne explodieren, stoßen sie große Mengen Strahlung in Form hochenergetischer Teilchen, der sogenannten kosmischen Strahlung, 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 davor fungiert die Heliosphäre selbst als kosmischer Schutzschild gegen den Großteil der interstellaren Strahlung.

Neben der kosmischen Strahlung gelangen regelmäßig neutrale Teilchen und Staub aus dem lokalen interstellaren Medium in die Heliosphäre. Diese Partikel 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 sagen voraus, dass die Heliosphäre vor Millionen von Jahren mit einer kalten, dichten Partikelwolke im interstellaren Medium in Kontakt kam, was dazu führte, dass die Heliosphäre schrumpfte und die Erde dem lokalen interstellaren Medium ausgesetzt wurde.

Eine unbekannte Form

Aber Wissenschaftler wissen nicht wirklich, welche Form die Heliosphäre hat. Die Form der Modelle variiert von kugelförmig bis halbmondförmig als Komet. Die Größe dieser Vorhersagen reicht vom Hundert- bis Tausendfachen der Entfernung zwischen Sonne und Erde.

Wissenschaftler haben jedoch die Richtung, in die sich die Sonne bewegt, als „Nasenrichtung“ und die entgegengesetzte Richtung als „Schwanz“-Richtung definiert. Die Nasenrichtung sollte den kürzesten Abstand zur Heliopause haben, der Grenze zwischen der Heliosphäre und dem lokalen interstellaren Medium.

Keine Sonde hat jemals die Heliosphäre richtig von außen beobachtet oder das lokale interstellare Medium korrekt beprobt. Dies könnte Wissenschaftlern mehr über die Form der Heliosphäre und ihre Wechselwirkung mit dem lokalen interstellaren Medium, der Weltraumumgebung jenseits der Heliosphäre, verraten.

Überquerung der Heliopause mit der Voyager

1977 startete die NASA die Voyager-Mission: Ihre beiden Raumsonden flogen an Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun im äußeren Sonnensystem vorbei. Wissenschaftler stellten fest, dass die Sonden nach der Beobachtung dieser Gasriesen 2012 bzw. 2018 getrennt die Heliopause durchquerten und in den interstellaren Raum eindrangen.

Obwohl Voyager 1 und 2 die einzigen Sonden sind, die möglicherweise die Heliopause überquert haben, haben sie ihre geplante Missionslebensdauer weit überschritten. Sie können die notwendigen Daten nicht mehr zurücksenden, da ihre Instrumente langsam ausfallen oder sich abschalten.

Diese Raumschiffe wurden zur Erforschung von Planeten und nicht zur Erforschung des interstellaren Mediums entwickelt. Das bedeutet, dass sie nicht über ausreichende Instrumente verfügen, um alle Messungen des interstellaren Mediums oder der Heliosphäre durchzuführen, die Wissenschaftler benötigen.

Hier könnte eine mögliche interstellare Sondenmission ins Spiel kommen. Eine Sonde, die über die Heliopause hinaus fliegen soll, würde Wissenschaftlern helfen, die Heliosphäre zu verstehen, indem sie sie von außen beobachtet.

Eine interstellare Sonde

Da die Heliosphäre so groß ist, würde es Jahrzehnte dauern, bis eine Sonde diese Grenze erreicht, selbst wenn sie die Gravitationsunterstützung eines massereichen Planeten wie Jupiter nutzt.

Die Raumsonde Voyager wird nicht mehr in der Lage sein, Daten aus dem interstellaren Raum zu liefern, lange bevor eine interstellare Sonde die Heliosphäre verlässt. Und sobald die Sonde gestartet ist, wird es je nach Flugbahn etwa 50 Jahre oder sogar länger dauern, bis sie das interstellare Medium erreicht. Das bedeutet: Je länger die NASA mit dem Start einer Sonde wartet, desto länger bleiben Wissenschaftler ohne Mission in die äußere Heliosphäre oder in das lokale interstellare Medium.

Die NASA plant die Entwicklung einer interstellaren Sonde. Diese Sonde würde Plasma- und Magnetfelder im interstellaren Medium messen und die Heliosphäre von außen abbilden. Zur Vorbereitung holte die NASA mehr als 1.000 Wissenschaftler zu einem Missionskonzept ein.

Im ersten Bericht wurde empfohlen, dass sich die Sonde auf einer Flugbahn bewegt, die etwa 45 Grad von der Richtung der Nase der Heliosphäre entfernt ist. Diese Flugbahn würde einen Teil des Weges der Voyager zurückverfolgen und gleichzeitig neue Regionen des Weltraums erreichen. Auf diese Weise könnten Wissenschaftler neue Regionen untersuchen und einige teilweise bekannte Regionen des Weltraums erneut besuchen.

Diese Flugbahn würde der Sonde nur einen teilweise geneigten Blick auf die Heliosphäre ermöglichen und sie wäre nicht in der Lage, den Helioschweif zu sehen, über den die Wissenschaftler in der Region am wenigsten wissen.

Im Helioschweif sagen Wissenschaftler voraus, dass sich das Plasma, aus dem die Heliosphäre besteht, mit dem Plasma vermischt, aus dem das interstellare Medium besteht. Dies geschieht durch einen Prozess namens magnetische Wiederverbindung, der es geladenen Teilchen ermöglicht, aus dem lokalen interstellaren Medium in die Heliosphäre zu fließen. Genau wie neutrale Partikel, die durch die Nase eindringen, beeinflussen diese Partikel die Weltraumumgebung innerhalb der Heliosphäre.

In diesem Fall sind die Teilchen jedoch geladen und können mit solaren und planetaren Magnetfeldern interagieren. Obwohl diese Wechselwirkungen an den Rändern der Heliosphäre, sehr weit von der Erde entfernt, stattfinden, beeinflussen sie 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 Heck bewertet. Wir fanden heraus, dass eine Flugbahn, die die Flanke der Heliosphäre in Richtung des Hecks schneidet, die beste Perspektive auf die Form der Heliosphäre bieten würde, anstatt in Richtung der Nase auszutreten.

Eine Flugbahn in diese Richtung würde Wissenschaftlern eine einzigartige 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, erhält sie von außen einen Blick auf die Heliosphäre aus einem Winkel, der den Wissenschaftlern eine detailliertere Vorstellung von ihrer Form, insbesondere im umstrittenen Bereich ihres Schweifs, ermöglichen würde.

Unabhängig davon, in welche Richtung eine interstellare Sonde gestartet wird, werden die wissenschaftlichen Ergebnisse, die sie liefert, von unschätzbarem Wert und im wahrsten Sinne des Wortes astronomisch sein.

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.