Die Parker-Sonnensonde – ein Rendezvous mit unserer übermütigen Sonne

„Ad astra per aspera.“

Auf rauhen Pfaden zu den Sternen.

Künstlerische Darstellung der Parker Solar Probe. Quelle: NASA

Wenn man sich Bilder oder Videos einer totalen Sonnenfinsternis anschaut oder das große Glück hatte, selbst eine zu erleben, ist auf dem Höhepunkt der Totalität die Sonnenkorona erkennbar, die hinter der Mondscheibe hervorbricht. Um diese Sonnenkorona zu erforschen, wurde am 12. August 2018 die Parker Solar Probe losgeschickt, die am 1. November 2018 erstmals der Sonne ganz nahe kommen soll.

Zum Zeitpunkt dieses Schreibens hat die Sonde erfolgreich erste Lichtdaten von allen ihren vier Meßinstrumenten übermittelt, was deren volle Funktionsfähigkeit zeigt, und am 3. Oktober 2018 ihren ersten Vorbeiflug an der Venus absolviert.

Die Welt hat viele Jahrhunderte auf eine derartige Mission gewartet – auf die Technologie, die Konstruktion und die Materialien, um uns unseren Traum zu erfüllen, „die Sonne zu berühren“.1

Wer ist Dr. Eugene Parker?

Der Sonnenwind (wie wir ihn verstehen) schießt aus der Sonnenkorona mit Geschwindigkeiten von bis zu 1,6 Mio. km/h heraus und kann aus 1 Mio. t Materie bestehen, die pro Sekunde in alle Richtungen abgestrahlt wird. Auf der Erde erleben wir ihn gewöhnlich durch seine spektakuläre Wechselwirkung mit dem Erdmagnetfeld und der Atmosphäre – dem nördlichen und südlichen Polarlicht.

Johannes Kepler (1571-1630), der Vater der modernen Astronomie, hat als erster vermutet, daß es eine Art „Wind“ oder „Druck“ geben müsse, der von der Sonne ausgeht und dazu führt, daß der Schwanz von Kometen in deren Bahn immer von der Sonne wegweist.

Aber der „Sonnendruck“ allein war nicht ausreichend, um das gesamte Verhalten von Kometen und deren Schwänzen zu erklären. Erst 1943 stellte der deutsche Astronom und Geophysiker Cuno Hoffmeister (1892-1968) die Hypothese eines „Sonnenwindes“ auf. Und 1947 führte der Hammer Astronom Ludwig Biermann (1907-1986) den Sonnenwind auf eine bis dahin unbekannte „Teilchenstrahlung der Sonne“ zurück.

Dr. Eugene Parker stellte 1957 Vermutungen über die Funktionsweise des Sonnenwindes an2 und entwickelte Konzepte, um die Energiekaskade von der Sonne in einem komplexen und dynamischen System von Plasmen, Magnetfeldern und hochenergetischen Teilchen zu erklären. Nach seiner Theorie müßte es auf der Sonnenoberfläche auch kleine und dauerhafte Nanoflares geben, mit denen die große Hitze an der Sonnenoberfläche erklärt werden könnte. Bei seinen Beobachtungen des Verhaltens von Kometen und der Sonne habe er die Wechselwirkung nach eigener Darstellung sofort als hydrodynamisch (in einer Kugelgeometrie) erkannt. Er stellte zu deren Beschreibung vier Zeilen „einfacher“ algebraischer Formeln auf und veröffentlichte die Ergebnisse in seiner ersten Abhandlung 1958 mit dem Titel „Dynamics of the Interplanetary Gas and Magnetic Fields“. Er war damals 30 Jahre alt.

Er stellte u.a. die Behauptung auf, der Sonnenwind müsse überschallschnell sein, was in der Folge zur Entwicklung der Sweet-Parker-Theorie der magnetischen Rekonnexion (Neuverbindung) führte, um dieses Phänomen zu erklären.3

Als er seine Arbeit beim Astrophysical Journal einreichte (dessen Herausgeber der Astrophysiker Subrahmanyan Chandrasekhar war), merkte einer der Gutachter an: „Das ist lächerlich! Bevor Sie eine wissenschaftliche Arbeit verfassen, sollten Sie sich zumindest die Mühe machen, in die Bibliothek zu gehen und sich über das Thema zu informieren!“ Parker reagierte auf diese Kritik gegenüber Chandrasekhar: „Jedenfalls konnte er [der Gutachter] nichts Falsches finden – dann muß die Arbeit wohl ganz gut sein!“ Chandrasekhar setzte sich zum Glück über die Einwände des Gutachters hinweg und gab die Arbeit zur Veröffentlichung frei.4

Dennoch galten Parkers Ideen damals als höchst umstritten. Einige meinten, es sei unmöglich, daß von der Sonne etwa Überschallschnelles ausgehen könnte, während andere beharrlich behaupteten, zwischen den Planeten und der Erde gebe es überall nur den Newtonschen „leeren Raum“. „Das war etwas, was die meisten Leute damals offenbar nicht schlucken konnten. Sie äußerten strikten Unglauben,“ sagte Parker in einem Interview Anfang 2018.

Im Grunde waren es die Physik der Hydrodynamik und nicht die empirischen Belege, die Parker davon überzeugten, daß der Sonnenwind existieren mußte (wenngleich Beweise dafür mit der Entwicklung der Raumfahrt dann auch gefunden wurden).5 Die meisten seiner damaligen Fachkollegen glaubten ihm nicht, aber er ließ sich davon nicht abschrecken, und zusammen mit einigen wissenschaftlichen Freunden kämpfte er weiter,6 um sich gegen die „vorherrschende Meinung“ der damaligen Zeit zu behaupten.

Kürzlich hat die NASA nicht nur die Forschungssonde nach ihm benannt (das erste Raumfahrzeug, das den Namen eines lebenden Wissenschaftlers trägt), sondern verlieh Parker auch die Distinguished Public Service Medal – die höchste Auszeichnung der NASA für einen Wissenschaftler, der nicht im öffentlichen Bediensteter steht (Abbildung 1).

Abbildung 1. Dr. Parker beobachtet den Start der Sonnensonde. Quelle: NASA

Parker brachte zum Ausdruck, daß er sich von dieser Auszeichnung sehr geehrt fühlte und sich darüber freue, recht behalten zu haben. Gleichzeitig aber gratulierte er den Ingenieuren, Technikern und Wissenschaftlern, die die Mission möglich gemacht haben: „Sie sind die wahren Helden!“ Und er fügte hinzu, er betrachte die Sonde als „heroisch“ und ein „mutiges Raumschiff“, das sich der Sonne so weit annähere.

Eine von Parkers jüngeren Kolleginnen, Dr. Angela Olinto, Dekanin der naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität von Chikago, äußerte sich entsprechend: „Das ist Wissenschaft vom Feinsten – wenn man eine Theorie über etwas entwickelt und dann mit einem Experiment nach draußen geht, um sie zu beweisen… Meistens bekommen wir das nicht richtig hin.“

Parker hat wiederholt betont, nur weil man recht habe, bedeute nicht, daß der Weg bequem sei; er sei sich darüber im klaren, daß der größte Teil der Wissenschaft von Leuten gemacht werde, die aufstehen und etwas sehr, sehr Umstrittenes behaupten.

Wenn man sich die großen wissenschaftlichen Denker der Geschichte betrachtet – von Platon über Kepler bis zu Einstein, von Madame Curie bis Rosalind Franklin, von Leibniz bis LaRouche – so mußten sich alle, die grundlegende wissenschaftliche Beiträge geleistet haben, immer gegen die vorherrschende „öffentliche Meinung“ behaupten – die manchmal so stark wie der Sonnenwind erscheinen mag, sich aber gewöhnlich als viel heiße Luft erweist.

Bei der heute in Nordamerika und Europa vorherrschenden Kultur, die sich fast nur noch um ein irrationales, gottloses Umweltparadigma dreht, braucht es einigen Mut, um für das einzustehen, was man (im Platonischen Sinne) als wahr erkannt hat – aber die Zukunft der Menschheit mag davon abhängen. Unsere größtes Problem sind gar nicht so sehr die grünen Umweltschützer selbst, sondern daß viele von uns dem Schwindel aufsitzen, „Recycling“ sei eine sinnvolle Betätigung, oder zu glauben, die Welt sei „überbevölkert“. Denn wenn man nicht selbst nachdenkt, drückt man sich leicht um die Verantwortung, die wir alle für die Zukunft der Menschheit haben. Die Welt braucht mutige Menschen, die sich vorwagen und die westliche Welt in ein neues Paradigma führen. Dabei kann man viel aus den Schriften des großen Dichters und Philosophen Friedrich Schiller lernen:

„Erkühne dich, weise zu sein. Energie des Muths gehört dazu, die Hindernisse zu bekämpfen, welche sowohl die Trägheit der Natur als die Feigheit des Herzens der Belehrung entgegen setzen. Nicht ohne Bedeutung läßt der alte Mythus die Göttin der Weisheit in voller Rüstung aus Jupiters Haupte steigen; denn schon ihre erste Verrichtung ist kriegerisch. Schon in der Geburt hat sie einen harten Kampf mit den Sinnen zu bestehen, die aus ihrer süßen Ruhe nicht gerissen sein wollen. Der zahlreichere Theil der Menschen wird durch den Kampf mit der Noth viel zu sehr ermüdet und abgespannt, als daß er sich zu einem neuen und härtern Kampf mit dem Irrthum aufraffen sollte. Zufrieden, wenn er selbst der sauren Mühe des Denkens entgeht, läßt er Andere gern über seine Begriffe die Vormundschaft führen, und geschieht es, daß sich höhere Bedürfnisse in ihm regen, so ergreift er mit durstigem Glauben die Formeln, welche der Staat und das Priesterthum für diesen Fall in Bereitschaft halten. Wenn diese unglücklichen Menschen unser Mitleiden verdienen, so trifft unsere gerechte Verachtung die andern, die ein besseres Loos von dem Joch der Bedürfnisse frei macht, aber eigene Wahl darunter beugt. Diese ziehen den Dämmerschein dunkler Begriffe, wo man lebhafter fühlt und die Phantasie sich nach eignem Belieben bequeme Gestalten bildet, den Strahlen der Wahrheit vor, die das angenehme Blendwerk ihrer Träume verjagen. Auf eben diese Täuschungen, die das feindselige Licht der Erkenntniß zerstreuen soll, haben sie den ganzen Bau ihres Glücks gegründet, und sie sollten eine Wahrheit so theuer kaufen, die damit anfängt, ihnen alles zu nehmen, was Werth für sie besitzt? Sie müßten schon weise sein, um die Weisheit zu lieben: eine Wahrheit, die Derjenige schon fühlte, der der Philosophie ihren Namen gab.

Nicht genug also, daß alle Aufklärung des Verstandes nur insoferne Achtung verdient, als sie auf den Charakter zurückfließt; sie geht auch gewissermaßen von dem Charakter aus, weil der Weg zu dem Kopf durch das Herz muß geöffnet werden. Ausbildung des Empfindungsvermögens ist also das dringendere Bedürfniß der Zeit, nicht bloß weil sie ein Mittel wird, die verbesserte Einsicht für das Leben wirksam zu machen, sondern selbst darum, weil sie zu Verbesserung der Einsicht erweckt.“7

Das Maß des Menschen

Der Mensch hat auf dem Meer navigieren gelernt, indem er seinen Geist und seine Beobachtungsgabe benutzte, um sich am Tag an der Sonne und in der Nacht an den Sternen zu orientieren. Die aufgehende und untergehende Sonne und die Jahreszeiten halfen ihm bei der Stadtplanung und der Errichtung großer Monumente. Schon in der Frühzeit war die Wissenschaft der Astronavigation weit verbreitet; es gibt Belege dafür, daß Seevölker aus den Regionen um Polynesien bis zu den Küsten Südamerikas segelten, und viel später wird von den Wikingern berichtet, daß sie auch an bedeckten Tagen navigieren konnten, indem sie sich die besonderen Eigenschaften des Doppelspats (oder Sonnensteins) zunutze machten.

Bei der Astronavigation verwendet man ein Winkelmeßgerät, mit dem man den Abstand zwischen einem Himmelskörper (Sonne, Mond) und dem sichtbaren Horizont mißt („anpeilt“), um so seine Position auf der Erde zu bestimmen. Dafür gibt es verschiedene Methoden, mit denen sich der Leser selbst vertraut machen möchte.

Eine Besonderheit der Erde liegt zwischen dem (nördlichen) Wendekreis des Krebses und dem (südlichen) Wendekreis des Steinbocks, wo die Sonnenstrahlen die Erdoberfläche genau in der Senkrechten treffen. Dies ist der sogenannte subsolare Punkt (oder Lahaina Noon auf Hawaii), der vielleicht nicht ganz genau um 12 Uhr mittags eintritt, wo aber ein Gegenstand auf geheimnisvolle Weise keinen Schatten wirft (Abbildung 2).

Abbildung 2. Am subsolaren Punkt werfen senkrechte Gegenstände keinen Schatten. Quelle: plus.google.com

Mit Hilfe dieser astronomischen Besonderheit hat Eratosthenes von Cyrene (276 v.Chr.–194 v.Chr.) erstmals den Umfang der Erde relativ genau gemessen. Er wählte dabei zuerst einen Beobachtungspunkt in Syene (dem heutigen Assuan in Ägypten), dessen Entfernung nach Alexandria bekannt war. Bei der Sommmersonnenwende um 12 Uhr mittags zeigte eine senkrechte Messung in einer Sonnenuhr in Syene keinen Schatten, aber in Alexandria wurde zur gleichen Zeit am gleichen Tag ein Schatten mit einer Abweichung von 7,2 Grad von der Senkrechten gemessen. Bei bekannter Entfernung der beiden Städte und unter der Annahme, daß die Sonnenstrahlen aufgrund der großen Entfernung der Sonne zu den beiden Orten praktisch parallel verlaufen, berechnete Eratosthenes den Umfang der Erde auf etwa 250.000 Stadien oder grob 39.375 km – was heutigen Messungen des Erdumfangs am Äquator von 40.074 km sehr nahe kommt.

Ganz ähnlich kann jeder in der Nordhalbkugel feststellen, daß die Tage nach der Tagundnachtgleiche im Herbst immer kürzer werden, bis wir an der Wintersonnenwende im Dezember den kürzesten Tag des Jahres erleben.

Wenn man entweder mit einer Kamera oder durch tägliches Fixieren auf einem festen Gegenstand (etwa einem Fenster) jeden Tag zur selben Zeit das ganze Jahr über die Position der Sonne am Himmel festhält, ergibt der Sonnenverlauf eine Achterschleife (Analemma) – wie eine über das Firmament ausgebreitete Perlenschnur (Abbildung 3). In unserem geistigen Auge fragen wir uns: Was muß die Beziehung der Erde zur Sonne sein, um dies zu erklären? Um wieviel muß die Erde im Verhältnis zur Ebene ihrer Umlaufbahn um die Sonne geneigt sein? Was ist die Ursache für die Abfolge der Jahreszeiten (Abbildung 4)?

Abbildung 3. Fiktive Fotomontage, die zeigt, welche Position die Sonne über das Jahr am Himmel einnimmt. Würde man die Sonne etwa alle sieben Tage 9 Uhr MEZ fotografieren und die Fotos zusammenführen, würde dieses Muster sichtbar.

Da all dies von jedermann beobachtet werden kann, wer hat ein Interesse daran, uns zu hindern, daß wir alle unseren Geist gebrauchen?

Abbildung 4. Die jährlichen Sonnenwenden und Tagundnachtgleichen. Links sieht man die Sommersonnenwende, rechts die Wintersonnenwende und in der Mitte die Tagundnachtgleichen. Auf dem Globus entspricht der nördlichste Punkt dem Wendekreis des Krebses und der südlichste dem Wendekreis des Steinbocks, wo die Sonne jeweils im Zenit steht. Quelle: Wikimedia

Wie die „Hüllenmenschen“

Man trifft sie häufig; sie sehen aus wie Menschen, aber sie ticken ganz anders. Sie sind wie die ominösen „Hüllenmenschen“ aus dem Film Die Körperfresser kommen von 1978, und man erkennt sie daran, daß sie im Grundton der Überzeugung die Meinung vertreten, der Mensch sei ein Scheusal und stehe auf der gleichen Stufe wie die Tiere. Es ist wie bei der Infektion einer Gartenschnecke, die von Trematoden befallen ist: Die „Standards“, die vom „Wissenschaftsestablishment“ vorgegeben werden, um „Anerkennung“ und Forschungsgelder zu bekommen, infizieren hinterrücks den vielversprechenden jungen Wissenschaftler und verwandeln ihn in eine fremdgesteuerte Schnecke voller Trematoden8, die langsam einen Stengel hochkriecht, alles befolgt, was die Oberen von ihm wollen – um letztlich selbst gefressen zu werden. Alle, die sich der „Infektion“ widersetzen, werden abgestraft – ihre Forschungsgelder werden gestrichen oder sie werden geächtet und kaltgestellt.

Diese „Standards“ werden dann wie Sporen durch die Medien, durch Stiftungen, die akademische Welt bis hin zu Schulen und Kindergärten weiterverbreitet, um die gesamte Bevölkerung zu korrumpieren.

Man schaue sich nur einmal eine Liste der angeblich „einflußreichsten Wissenschaftler“ von heute9 an, und wen findet man da? Zum Beispiel Leute wie James Watson, Jane Goodall und Stephen Hawking. Wer sind diese „Experten“? Sollen wir uns wie die Feenkönigin Titania in Shakespeares Komödie Ein Sommernachtstraum benehmen, die dazu gebracht wurde, einen Esel anzuhimmeln und zu lieben (Abbildung 5)?

Abbildung 5. Szene aus „Ein Sommernachtstraum“ mit Titania und dem mit einem Eselskopf verunstalteten Bottom. Gemälde von Edwin Landseer, 1851. Quelle: Wikimedia

Stephen Hawkings wohl bekanntestes Buch ist Eine kurze Geschichte der Zeit, dessen Prämissen Lyndon LaRouche in einer Besprechung von 1997 eine Absage erteilte:

„Nun zu dem fraglichen Kapitel. Gleich zu Beginn schreibt Hawking: ,Bis zum Anfang dieses Jahrhunderts glaubten die Menschen an die absolute Zeit. Man war überzeugt, daß sich jedem Ereignis eine Zahl, die man Zeit nannte, eindeutig zuweisen lasse und daß alle guten Uhren das Zeitintervall zwischen zwei Ereignissen übereinstimmend anzeigen…’ Diese Aussage von Hawking ist falsch.“10

Zur Erläuterung führt LaRouche die historische Teilung in der Wissenschaft an – auf der einen Seite die wirklichen Pioniere wie beispielsweise Karl Friedrich Gauß, Bernhard Riemann und Gottfried Wilhelm Leibniz, und auf der antihumanistischen Seite Leute wie Newton, James Clerk Maxwell und Bertrand Russell. In letztere Gruppe ordnet LaRouche auch den „angesehenen“ Hawking ein, der in seinen Ansichten die gleichen falschen Axiome vertritt.

James Watson? Glaubt jemand ernsthaft, er war der „Mitentdecker“ der Doppelhelix-Struktur der DNA? Daran wird vielmehr deutlich, wie gründlich verschiedene Einrichtungen und Medien dafür sorgen, daß jeder oder jede, die nicht ins Bild passen, „wegretuschiert“ werden. Die eigentliche Entdeckerin der DNA-Struktur war Rosalind Franklin, die die ersten Röntgenbeugungsbilder der DNA herstellte und interpretierte.

Und Jane Goodall, die Schimpansen-Dame? Wie kann sich eine „Wissenschaftlerin“ anmaßen, den Menschen mit Affen zu vergleichen? In einer jüngsten Dokumentation wurde außerdem festgestellt:

„Goodall räumte auch ein, daß ihr Aussehen, das viel Beachtung fand, ihr Publizität verschaffte, um Gelder für ihre Forschungsprojekte zu bekommen. ,Und es schadete nichts, daß ich nicht häßlich geboren wurde’.“11

Lassen Sie sich also von diesen „Experten“ nicht zum Affen halten!

Ein Raumschiff mit Schwung

Die Parker-Mission ist Teil des NASA-Programms „Mit einem Stern leben“; dabei ist unsere Sonne der einzige derartige Stern, dem wir sehr nahe kommen können, um Beobachtungen der Korona anstellen zu können – und des Sonnenwindes, der sich sehr schnell von Unterschall- zu Überschallgeschwindigkeit beschleunigt.

Die Mission, eine Sonde zur Sonne zu schicken, ist seit etwa 10 Jahren in Vorbereitung. Hunderte (wenn nicht Tausende) von Ingenieuren, Technikern und Wissenschaftlern waren an seiner Entwicklung beteiligt (Abbildung 6).

Abbildung 6. Die Parker-Sonnensonde. Quelle: NASA/JPL

Die Sonde bewegt sich bei ihrer Reise um die Sonne mit einer Geschwindigkeit von 690.000 km/h. Zum Vergleich: Die Erde bewegt sich mit etwa 107.000 km/h in ihrer Bahn um die Sonne – und unsere gesamte Galaxis bewegt sich mit etwa 2 Mio. km/h durch das Weltall.

Ursprünglich war der Plan, daß die Parker-Sonnensonde um die Pole der Sonne kreisen und den Jupiter zur Gravitationsbeschleunigung benutzen sollte, doch damit wären nur zwei Sonnen-Vorbeiflüge möglich gewesen. Der damalige Projektmanager für die Mission, Andy Dantzler (2011 mit nur 49 Jahren verstorben), schaltete sich jedoch ein und schlug vor, daß die Sonde besser eine Umlaufbahn über der Ekliptik nehmen sollte, bei der zuverlässigere Messungen des Sonnenwindes möglich wären. Auf dieser neuen Bahn wären 900 Stunden Messungen bei einem Sonnenabstand von etwa 13 Mio. km möglich.

Die Mission hat drei wissenschaftliche Hauptziele:

  • Den Energiefluß aufzuzeichnen, mit dem die Sonnenkorona und der Sonnenwind erhitzt und beschleunigt wird.
  • Struktur und Dynamik des Plasmas und der Magnetfelder an der Quelle des Sonnenwindes zu bestimmen.
  • Die Mechanismen zu erforschen, mit denen energiereiche Teilchen beschleunigt und transportiert werden.

Es ist weitaus schwieriger, sich in Richtung Sonne zu bewegen als in Richtung auf das äußere Sonnensystem. Das hat etwas mit der Flugbahnmechanik zu tun – der Kenntnis davon, wie die Naturkräfte die Bewegung der Planeten und Kometen sowie auch von Raketen, Satelliten und anderen Raumfahrzeugen beeinflußt.12 Auf den ersten Blick erscheint es „mühelos“, sich zur Sonne fallen zu lassen, da deren Schwerkraft so überaus mächtig erscheint, doch die Erde bewegt sich auch mit großer Geschwindigkeit und widersetzt sich so – zusammen mit der Stabilität der Erdbahn selbst – der Anziehungskraft der Sonne. Um von der Erde zum Mars zu fliegen, muß die Bahngeschwindigkeit nur geringfügig erhöht werden, aber um in das Innere des Sonnensystems zu gelangen, muß der Schwung verlangsamt werden.

Wenn ein Raumfahrzeug normalerweise ein „Vorbeischwungmanöver“ vollführt, muß es sich in ein enges Gravitationsband um einen Planeten bewegen, um es dann mit einer höheren Geschwindigkeit wieder hinauszuschleudern. Aber um sich nach innen ins Sonnensystem zu bewegen, dient das „Vorbeischwungmanöver“ dazu, das Raumfahrzeug abzubremsen. Die Sonnensonde wird während ihrer gesamten Missionszeit 24mal die Venus passieren; bei ihren letzten Vorbeiflügen wird sie sich der Sonne bis auf einen Abstand von 6 Mio. km nähern. Am Ende der Mission fällt die Sonde immer weiter der Korona entgegen und verglüht in der Sonne (Abbildung 7).

Abbildung 7. Die einzelnen Umlaufbahnen der Sonnensonde. Quelle: NASA

Das Hauptproblem beim Bau der Sonde war, wie man die Instrumente so schützt, daß sie nicht nur Hitze und Strahlung der Sonne widerstehen, um verläßliche Messungen machen zu können, sondern daß sie auch der Kälte des Weltraums beim Vorbeischwungmanöver um die Venus trotzen.

Da einige der Instrumente Magnetfelder messen, mußten die Ingenieure dafür sorgen, daß die Steuerungs- und Antriebssysteme so wenig wie möglich magnetische Störsignale erzeugen. Beim Vorbeiflug an der Sonne nimmt die Sonde Messungen vor, und wenn sie dann zurück um die Venus fliegt, nimmt sie dreimal in der Woche Kontakt zur Erde auf, um die gesammelten Daten zu übermitteln und einen Signalton abzusetzen, der den Funktionszustand der Raumsonde anzeigt.

Die Parker-Sonnensonde hat vier Hauptinstrumente an Bord:

  • FIELDS mißt mit fünf Antennen elektrische und magnetische Felder und Wellen sowie Plasma- und Elektronendichte, um die Aktivitäten in der Heliosphäre besser zu verstehen, vor allem die Magnetfeld-Rekonnexion, bei der Magnetfeldlinien abbrechen und sich abrupt neu anordnen.

Vier der Antennen ragen über den Hitzeschild hinaus, so daß sie Temperaturen von fast 1400 °C ausgesetzt sind. Die fünfte Antenne bleibt hinter dem Hitzeschild und steht senkrecht zu den anderen, so daß insgesamt ein dreidimensionales Bild des Sonnenwindes erzeugt werden kann.

  • WISPR (Wide-field Imager for the Solar PRobe) ist ein Teleskopsystem zur Beobachtung der Korona und der inneren Heliosphäre. Es soll koronale Massenauswürfe (CMEs) und andere Strukturen des Sonnenwindes aufspüren und sichtbar machen. Es betrachtet die großen Strukturen der Korona und des Sonnenwindes, bevor die Sonne durch sie hindurchfliegt. Das Instrument befindet sich hinter dem Hitzeschild und verwendet speziell entwickelte Ablenkplatten und Blenden, um Streulicht, das von anderen Teilen der Sonde ausgeht, zu reflektieren und zu absorbieren. WISPR hat zwei Kameras mit strahlungsgehärtenen aktiven Pixelsensor-Detektoren.
  • SWEAP (Solar Wind Electrons Alphas and Protons Investigation) ist ein Trio von Partikelzählern zur Bestimmung von Geschwindigkeit, Dichte/Flußrate und Temperatur von Elektronen, Protonen und Heliumkernen, den häufigsten Teilchen der Heliosphäre. Mit diesem und anderen Instrumenten wird es möglich sein, die Sonne in drei Dimensionen abzubilden.
  • IS☉IS (Integrated Science Investigation of the sun) beobachtet mit zwei komplementären Instrumenten hochenergetische Elektronen, Protonen und Ionen im Bereich von mehreren 10 keV bis 100 MeV, die zur Korrelation mit Sonnenwindmessungen und Strukturen der Korona verwendet werden sollen. Die Schreibweise ISIS enthält das Symbol der Sonne.

Der eigentliche Clou der Sonde ist jedoch das System zum Schutz und Antrieb des Flugkörpers. Dieser verfügt über ein eigenständiges Computersystem, das die Temperatur, der die Sonde jeweils ausgesetzt ist, registriert und die Sonnensegel je nach Bedarf hinter bzw. vor den Hitzeschild bewegen kann. Wenn sich die Sonde hinter der Sonne befindet, kann sie keine Daten zur Erde übermitteln oder Befehle von der Erde erhalten, ist aber mit Computerhilfe in der Lage, selbständig ihre Position zu bestimmen und die Sonde stets in einer solchen Position zu halten, daß der Hitzeschild genau auf die Sonne ausgerichtet ist, um die Instrumente zu schützen (der Schwerpunkt muß hinter dem Kräftemittelpunkt auf dem Schild liegen).

Die Sonnensegel haben Schultergelenke und können so wie Flügel hinter das Hitzeschild eingeklappt werden. Die Segel und die gesamte Sonde sind von einem Kühlsystem umhüllt, da die Sonnensegel der großen Hitze und Energie der Sonne nicht standhalten würden, wenn sie ihr sehr nahe kommen. Am sonnennächsten Punkt werden die Segel fast vollständig eingeklappt, so daß nur noch die Spitzen hinter dem Schild herausragen – und so wird mehr als genug Energie für die Sonde und alle ihre Instrumente erzeugt.

  • TPS – Das Wärmeschutzsystem besteht aus dem Hitzeschild und dem Kühlsystem. Das Hitzeschild ist knapp 2,50 m groß, knapp zwölf Zentimeter dick, wiegt etwa 72 kg und besteht zu 97% aus Luft. Zwischen dem Karbonschaum sind zwei Kohlenstoffplatten eingebettet. Als äußerste Schicht trägt der Hitzeschild einen weißen Keramiküberzug, der die Sonnenhitze besonders gut reflektiert. In Tests hielt dieser geschichtete Schutzschild einer Temperatur von 1.650 °C stand, und hinter dem Schild herrschten dabei lediglich um die 30 °C.

Die Instrumente sind jedoch nur die eine Seite der Medaille; die andere Frage ist: Was ist die Denkweise jener, die die Daten interpretieren?

Himmlischer Magnetismus

Machen wir in Gedanken einen astronomischen Schritt zurück von der Erde, um sie uns aus vielen Millionen Kilometern Entfernung vom Weltraum aus zu betrachten. Dabei sehen wir, daß sich unser Planet wie auch der Großteil unseres Sonnensystems innerhalb der Atmosphäre der Sonne befindet. Es herrschen komplizierte Beziehungen zwischen den Umlaufbahnen, dem Sonnenwind und der Magnetosphäre der Planeten, die noch weiter untersucht werden müssen.

Abbildung 8 zeigt die riesige Außenwelt, in der die Erde schwimmt. Der Sonnenwind reicht weit über das Sonnensystem hinaus; jenseits davon beginnt der interstellare Raum. Die Erde und alle anderen Planeten unseres Sonnensystems stehen in ständiger Wechselbeziehung mit dem Sonnenwind sowie mit kosmischen Strahlen unterschiedlicher Herkunft.

Abbildung 8. Künstlerische Darstellung, in der unser Sonnensystem als kleines blaues Pünktchen mit der gelben Sonne im Mittelpunkt sichtbar ist, umgeben von der hellblauen, ovalförmigen Heliohülle im interstellaren Raum. Die 1977 gestartete Sonde Voyager 1 hat inzwischen die Heliosphäre verlassen. Die zeitgleich losgeschickte Sonde Voyager 2 folgt ihr in Kürze nach. Quelle: NASA

Parker stellte Überlegungen über die Natur des von der Sonne erzeugten Magnetfelds an und über die Gestalt, die es annimmt, wenn sich die Sonne dreht (auch als „heliosphärische Stromschicht“ bekannt). Abbildung 9 zeigt das statische Bild der elektromagnetischen Schicht (in Wirklichkeit nicht so gleichmäßig), und Abbildung 10 zeigt den dynamischen Vorgang, wie sich das Feld innerhalb des 11jährigen Minimum-Maximum-Zyklus der Sonnenaktivität ändert (siehe hier auch die kurze Animation von Abbildung 10). Dieser wird generell mit der Zu- und Abnahme der Sonnenfleckenaktivität in Zusammenhang gebracht, aber die Details dieser Vorgänge sind nach wie vor unbekannt.

Abbildung 9. Statische Darstellung der heliosphärischen Stromschicht mit den inneren Planeten. Quelle: NASA

Das Magnetfeld der Sonne wechselt hierbei die Polarität; die Wellen nehmen während dieser Umkehrung alle 11 Jahre an Größe zu. Innerhalb dieser Zyklen ändern sich auch Form und Intensität des Sonnenmagnetfeldes, der Sonnenflecken und des Sonnenwindes, was sich wiederum auf die Intensität von Gewittern und der Häufigkeit von Blitzen hier auf der Erde sowie auf andere Phänomene des Weltraumwetters auswirkt.13

Abbildung 10. Screenshot von einer Computeranimation der heliosphärischen Stromschicht während des 11jährigen Magnetzyklus der Sonne. Quelle: Benacor auf YouTube

Man weiß derzeit nicht genau, wie diese Schwankungen zustande kommen; es gibt keine bekannte Korrelation zwischen der plötzlichen Umkehrung der Magnetpole der Sonne und der Erde. Kosmische Strahlen sind zwar eine allgegenwärtige Gefahr für den Weltraumflug, aber andererseits wirkt sich die Stromschicht dämpfend auf sie aus, so daß das innere Sonnensystem ein wenig abgeschirmt ist. Weitere Forschungen über diese Aktivitäten versuchen derzeit diese Fragen zu klären.

Abbildung 10 erinnert an die Topographie einer Gaußschen Oberfläche (Abbildung 11), besonders wenn man sich eine solche Oberfläche rotierend vorstellt. Welche Beziehung könnte es zwischen diesen beiden Darstellungen mit Blick auf die Schwerkraft und die elektromagnetischen Felder geben?

Abbildung 11. Darstellung einer konstanten negativen Gaußschen Krümmung. Quelle: mathforum.org

Außerdem sollte man bedenken, daß unser Sonnensystem innerhalb und um unsere gesamte Galaxie rotiert und so vielen Einflüssen ausgesetzt ist. Es liegt auf der Hand, daß menschliche Aktivitäten – wie die Emission von Kohlendioxid – im Vergleich zu diesen massiven Einwirkungen verschwindend klein sind (Abbildung 12).

Abbildung 12. Größe der Erde verglichen mit dem Sonnenfleck 14886 auf der weißen Sonnenscheibe. Quelle: San Jose Astronomical Association

Wir müssen uns schon selbst der Sonne annähern, um die vielen Fragen über Korona, Eruptionen und CMEs zu beantworten. Die Daten, die die Parker Solar Probe übermitteln wird, dürften grundlegend neue Erkenntnisse liefern.

Brennende Fragen

Einen schematischen Querschnitt durch die bekannte Sonnenstruktur findet sich in jedem einfachen Astronomiebuch und vielen Webseiten; für einen schnellen Überblick sei Abbildung 13 angeführt. Auch wenn in Darstellungen und wissenschaftlichen Artikeln von der „Sonnenoberfläche“ gesprochen wird, sei jedoch darauf hingewiesen, daß kein Stern eine „Oberfläche“ im eigentlich Sinn hat.

Abbildung 13. Herkömmliche Darstellung des Sonnenaufbaus. Quelle: astrosolar

Die Sonne macht 99,86% der Gesamtmasse des Sonnensystems aus. Ihr innerer „Verbrennungsmotor“ wird durch Kernfusionsprozesse angetrieben, und das Magnetfeld der Sonne wird in ihrem Inneren von einem hydromagnetischen Dynamo erzeugt. Es ist bereits bekannt, daß die Sonne unterschiedlich rotiert – am Äquator dreht sich schneller als an den Polen (Abbildung 14). Außerdem rotieren die verschiedenen Schichten der Sonne mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, und aufgrund dieser Bewegungen bildet sich dort eine Übergangsregion (eine Scherwirkung), die sich Tachocline nennt. Sie liegt zwischen der inneren Strahlungszone und der unterschiedlich rotierenden äußeren Konvektionszone; man nimmt an, daß sie eine Dicke von weniger als 0,05 Sonnenradien hat und extremen radialen und longitudinalen Scherkräften ausgesetzt ist.

Abbildung 14. Eine Schnittansicht der Sonne, worauf die differentielle Rotation mit den Konturen gleicher Drehrichtung dargestellt ist. Quelle: Utah Physics Department

Die Mechanismen hinter der Bildung der Tachocline sind noch umstritten, aber Forschungen, die ihr Verhalten vorherzusagen versuchen, hatten mehr Erfolg mit einem magnetohydrodynamischen statt eines einfachen hydrodynamischen Ansatzes. Die Tachocline hat eine besondere Eigenschaft: Sie widersetzt sich beharrlich dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik,14 denn sie bleibt inmitten von Turbulenzen darüber und darunter stabil. Ließe sich eine solche Dynamik auf der Erde replizieren, mit dem Ziel, die Realisierung der kontrollierten Kernfusion leichter zu erreichen?

Es gibt intensive Forschungsanstrengungen über die Tachocline, die nicht nur in der Sonne, sondern auch in anderen Sternen eine wichtige Rolle bei der Erzeugung von Magnetfeldern spielt. Sie scheint die Funktion eines Dynamos zur Erzeugung oder Verstärkung von Magnetfeldern zu haben, aber hier ist kein Platz, um das im einzelnen auszuführen.

Aufgrund dieser Turbulenz erzeugt die Konvektionszone der Sonne ständig Schallwellen. Die Schallwellen beginnen gewöhnlich an der Oberfläche und wandern nach innen; aufgrund der Temperaturänderungen bei Annäherung an den Kern wird der Schall gebeugt und zurück an die Oberfläche gebrochen. Dieser ständige innere Beschuß der Sonnenoberfläche versetzt die gesamte Sonne in Schwingungen wie bei einer Glocke oder einer Trommel.15 Die Schallwellen bilden eine sogenannte „stehende Welle“. Könnte es hierbei eine Verbindung zu Experimenten mit einer Trommeloberfläche geben, worauf sich Sand spontan zu verschiedenen Konfigurationen anordnet, abhängig von der angelegten Frequenz? Könnte sich daraus ein fruchtbarer Arbeitsbereich vielleicht mit Blick auf die kontrollierte Kernfusion ergeben? Ließe sich eine „stehende Plasmawelle“ erzeugen, um eine stabile Region zu schaffen, um Fusionsreaktionen zu verstärken? Ließe sich das Plasma „tunen“?

Jüngste Forschungen haben ergeben, daß die Schallwellen auf der Sonne möglicherweise auf Magnetfeldlinien zur Oberfläche geleitet werden, was die Frage beantworten könnte, warum die Korona so sehr viel heißer ist als die Oberfläche. An der Oberfläche angekommen, schleudern sie nämlich Fontänen heißen Gases („Spikulen“) Tausende Kilometer in den Weltraum, wobei sie eine Schwerkraft überwinden, die 27mal größer ist als auf der Erde. Sie könnten auch an der Sonnenfleckenaktivität beteiligt sein, obgleich man derzeit noch nicht viel darüber weiß.16

Die Schallwellen werden nicht in den Weltraum weitergeleitet und können nicht gehört werden, auch wenn NASA-Wissenschaftler einige der elektromagnetischen Aktivitäten in hörbare Klänge „übersetzt“ haben.17

Koronale Massenauswürfe

Die Korona ist instabil und erzeugt den Sonnenwind, Sonnen­eruptionen und koronale Massenauswürfe (CMEs). Millionen Tonnen stark magnetisierten Plasmas können von der Sonne ausgestoßen werden, und das mit Geschwindigkeiten, die von 15.000 km/h bis fast 2 Mio. km/h reichen können.18

Dazu heißt es auf der Webseite der amerikanischen Ozean- und Atmosphärenbehörde (NOAA):

„Die explosiveren CMEs beginnen in der Regel, wenn stark verdrehte Magnetfeldstrukturen (Flußstränge) in der unteren Sonnenkorona unter zu große Anspannung geraten und sich zu einer weniger angespannten Konfiguration neu anordnen – ein Vorgang, der sich magnetische Rekonnexion nennt. Dies kann die plötzliche Freisetzung elektromagnetischer Energie in Form einer Sonneneruption zur Folge haben, was gewöhnlich die explosive Beschleunigung von Plasma von der Sonne weg begleitet – der CME. Diese Arten von CMEs ereignen sich gewöhnlich in Gegenden der Sonne mit lokalisierten Feldern starken und gestreßten Magnetflusses; wie etwa aktiven Regionen im Zusammenhang mit Sonnenfleckengruppen. CMEs können sich auch an Stellen ereignen, wo relativ kühles und dichteres Plasma eingeschlossen und in einem magnetischen Fluß aufgehängt ist, der bis in die innere Korona reicht – Filamente und Protuberanzen. Wenn sich diese Flußstränge rekonfigurieren, können die dichteren Filamente oder Protuberanzen auf die Sonnenoberfläche zurückstürzen und ruhig reabsorbiert werden, oder es kommt zu einem CME. CMEs bewegen sich schneller als der Hintergrund-Sonnenwind eine Schockwelle erzeugen kann. Diese Schockwellen können geladene Teilchen vor ihnen beschleunigen – und so das Potential oder die Intensität von Strahlungsstürmen verstärken.“19

Wir auf der Erde haben derzeit wenig Möglichkeiten, einem starken CME zu widerstehen; elektrische Transformatoren würden durchbrennen, und die Satellitenkommunikation wäre empfindlich gestört. Eine naheliegende Lösung dafür wäre, unsere Stromnetze neu aufzustellen und mit neuen Technologien weniger anfällig zu machen. Die Energieunternehmen hätten auch die Möglichkeit, vor Eintreffen eines Sonnensturms die Transformatoren vom Netz zu nehmen, was einen unliebsamen Stromausfall zur Folge hätte, aber keine langfristige Zerstörung der Anlagen.

„Koronale Löcher“, die in Sonnenaufnahmen im extremen Ultraviolett und in weicher Röntgenstrahlung als dunkle Stellen erscheinen, sind ein weiteres Interessengebiet. Sie erscheinen dunkel, weil sie kühler und weniger dicht als das umgebende Plasma sind und Regionen offener, unipolarer Magnetfelder darstellen. Dadurch kann der Sonnenwind leichter entweichen. Größere, sich ausdehnende koronale Löcher können häufig die Quelle von Sonnenwinden mit hohen Geschwindigkeiten sein, die der Erde und ihrem Magnetfeld mehrere Tage lang zusetzen.

Geheimnisse ans Licht bringen

Jüngste Forschungen haben ein weiteres Geheimnis der Sonne aufgedeckt, nämlich daß es nicht nur eine, sondern zwei Arten von Sonnenwind gibt (mit dem hochtechnischen Begriff „schnell“ und „langsam“ bezeichnet).20 Der „langsame“ Sonnenwind bewegt sich mit etwa 300-500 km/s und scheint von der Aktivität magnetischer Rekonnexionen auszugehen, die ständig auf der Sonne stattfinden. Wenn man die Quelle des Sonnenwindes genauer weiß, ließe sich auch die Vorhersage des Weltraumwetters verbessern. Der „schnelle“ Sonnenwind kann bis zu 750 km/s erreichen. Untersuchungen seiner Zusammensetzung haben ergebeben, daß er vom Inneren koronaler Löcher ausgeht – Bereichen, in denen die Korona dunkler und kühler ist.

Ein Team am Goddard Space Flight Center unter Nicholeen Viall hat Erstaunlichiches über den langsamen Sonnenwind herausgefunden:

„Wir haben festgestellt, daß die Zusammensetzung von Dichte und Ladungszustand des langsamen Sonnenwindes alle 90 Minuten ansteigt und abfällt, eine Veränderung zwischen normalem langsamem Wind zu normalem schnellem Wind,“ sagte Viall. „Aber seine Geschwindigkeit war bei langsamer Windgeschwindigkeit konstant. Das kann nur durch magnetische Rekonnexion auf der Sonne entstanden sein, wobei Ursprungsregionen von schnellem wie langsamem Wind erfaßt werden.“21

Vialls Kollege Larry Kepko fügte hinzu:

„Man hatte sich vorgestellt, daß die Magnetosphäre wie eine Glocke erklingt, wenn der Sonnenwind mit einem plötzlichen Druckanstieg auf sie auftrifft,“ sagte Larry Kepko, Magnetosphärenforscher am Goddard Center. „Wir haben uns das genauer angeschaut und diese Periodizitäten des Sonnenwindes herausgefunden. Die Magnetosphäre verhielt sich dabei eher wie eine Trommel als eine Glocke.“22

„Wenn wir dieses Phänomen hier verstehen, wo wir das Magnetfeld tatsächlich messen können, bekommen wir auch besser in den Griff, wie sich diese fundamentalen physikalischen Prozesse auch anderswo im Universum abspielen,“ sagte Viall.

Die Physik der Korona und der inneren Heliosphäre verbindet die Aktivität der Sonne mit der Umwelt und technologischen Infrastruktur der Erde; weitere Entdeckungen dürften das physikalische Verständnis der Heliosphäre, der Aurora und der Magnetosphäre der Erde weiter verbessern. Auch die Satellitenkommunikation, die Stromnetzsicherheit, Pipeline-Erosion, Strahlungsexposition bei Flugreisen und die Astronautensicherheit ließen sich verbessern.

Der Artikel entstand am 12. Oktober 2018, kurz bevor die Parker Solar Probe Anfang November 2018 erstmals der Sonne sehr nah kam. Ersten Auswertungen zufolge wurden dabei wertvolle Daten gesammelt.

1. Das Konzept für eine „Solar Probe“ geht auf den „Simpson-Ausschuß“ des Space Science Board der National Academy of Sciences vom 24. Oktober 1958 zurück.

2. Parker prägte dabei den Begiff „Sonnenwind“.

3. Magnetische Rekonnexion bedeutet das Abbrechen und Neuverbinden von entgegengesetzt gerichteten Magnetfeldlinien in einem Plasma. Bei diesem Vorgang wird Energie des Magnetfeldes in plasmakinetische und thermale Energie umgewandelt. Beobachtet wird dies in Sonneneruptionen, in Kernfusionsanlagen (besonders Tokamaks) und der Magnetosphäre von Planeten. In der Hydrodynamik nennt sich ein ähnlicher Effekt „Rekonnexion der Vortizität“ oder „Rekonnexion quantisierter Wirbelelemente“.

4. Siehe das Youtube-Video https://youtu.be/WH_TC9VzMUA.

5. Sobald Mariner II auf dem Weg zur Venus die Bugwellenfront der irdischen Magnetosphäre hinter sich gelassen hatte, ließen sich die Sonnenaktivität und das Magnetfeld um die Sonne beobachten, wodurch die Existenz des Sonnenwindes bestätigt wurde.

6. Parker hatte immer Spaß an Ironie, etwa daran, daß er – 60 Jahre später – noch lebte, und es die Leute, die ihm widersprochen hatten, nicht mehr gab.

7. Friedrich Schiller, Über die ästhetische Erziehung des Menschen, in einer Reihe von Briefen, aus dem 8. Brief, Schillers Sämmtliche Werke, vierter Band, J. G. Cotta’sche Buchhandlung, Stuttgart.

8. Trematoden sind grausame Parasiten: Sie nisten sich in Schnecken ein, zerstören deren Sexualorgane und machen sie zu willenlosen Zombies – alles nur, um sie als Brutstätten für weitere Parasiten zu mißbrauchen.

10. Lyndon LaRouche, Mathematiker, die nicht wissen, was die Zeit ist“, in Fusion, Jg. 18, Nr. 3, 1997, S. 28ff.

12. Wie kaum jemand weiß, hat ein gewisser IPCC-Experte in einem kurzen Moment geistiger Wachheit eine bemannte Weltraummission zur Sonne vorgeschlagen. In seiner großen Voraussicht war sein Plan, in der Nacht zu starten, um zu verhindern, daß sein Raumschiff verglüht.

13. “Sun’s magnetic field affects frequency of lightning strikes on Earth,” https://physicsworld.com/a/suns-magnetic-field-affects-frequency-of-lightning-strikes-on-earth/

14. Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist eine politische Mogelpackung, womit sich weder die Entwicklung der Biosphäre noch das Prinzip des menschlichen Geistes erklären läßt. Näheres bei Bruce Director, „Stürzt die Tyrannei des Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik!“, in Neue Solidarität, Nr. 14, 4. April 2012.

15. https://www.cora.nwra.com/~werne/eos/movies/oscillate.mpeg. Auf diesem kurzen Video ist eine übertriebene Animation dieser Schallwellen zu sehen. Die sich nach außen bewegenden Zonen der Sonne sind rot, die sich nach innen bewegenden sind blau dargestellt. Wäre man auf der Sonnenoberfläche, ginge es hinauf und hinunter, als ritte man auf einer Welle. In einer weiteren Animation sieht man die tatsächlichen Bewegungen auf der Sonnenoberfläche: https://www.cora.nwra.com/~werne/eos/movies/hr_V_short.mpg.

18. Der bisher größte wissenschaftlich beobachtete magnetische Sturm auf der Erde war das Carrington-Ereignis im Jahr 1859, benannt nach dem damals bekanntesten Sonnenforscher Richard Carrington.

20. “Implications of L1 observations for slow solar wind formation by solar reconnection,” https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2016GL068607. „L1“ (Lagrange-Punkt 1) bezieht sich auf einen Ort im Weltall zwischen Erde und Sonne, wo sich das Sonnen- und Heliosphären-Observatorium (SOHO) und das NASA-Klimaobservatorium im tiefen Weltraum befinden. Von dort hat man eine ununterbrochene Sicht auf die Sonne.

22. ebenda

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