An der Grenze des Sonnensystems - wissenschaft.de
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An der Grenze des Sonnensystems

Die Heliosphäre, die unser Planetensystem abschirmt, ist einer Strahlenattacke aus dem interstellaren Raum ausgesetzt. Ein Satellit hat sie nun erstmals vollständig vermessen.

Während die Planeten unseres Sonnensystems inzwischen recht gut bekannt sind, beginnt jenseits von Pluto für die Astronomen ein kaum erschlossenes Neuland. Das klingt kurios, denn Teleskope haben von viel weiter entfernten Sternen und Galaxien etliche aufschlussreiche Informationen gesammelt. Aber: Vom Grenzgebiet unseres Sonnensystems kommt viel weniger Strahlung zu uns. Jetzt fangen Wissenschaftler damit an, diese Gegend zu erkunden – mit erstaunlichen ersten Ergebnissen.

Pionierarbeit leisteten die beiden amerikanischen Voyager-Sonden. „An den Start dieser Sonden im Spätsommer 1977 kann ich mich nur ganz diffus erinnern“, sagt Peter Wurz. Mit Planeten und Sternen hatte der Physik-Professor an der Berner Universität damals noch nichts am Hut. Dabei sollte er eines Tages die Grenzen unseres Sonnensystems viel genauer ausloten, als es die beiden NASA-Sonden vermochten. Als diese von Cape Canaveral aus in den Weltraum aufbrachen, war Wurz 16 Jahre alt und machte eine Ausbildung zum Elektroniker am Technikum in Wien. Später sandten die beiden Raumsonden spektakuläre Bilder von Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun zur Erde. Doch Wurz blickte nicht häufiger als sonst in den Sternenhimmel. Sein Hobby war bodenständig: Sechskampf im Kunstturnen. Beruflich stellte er Modems her, die im aufkommenden Informatikzeitalter sehr gefragt waren. Doch das füllte ihn nicht aus. So studierte er Physik an der Technischen Universität Wien und spezialisierte sich auf Festkörperphysik.

1990 setzten die Voyager-Sonden zu ihrer letzten Mission an. Mit rund 60 000 Kilometern pro Stunde rasten sie in den interstellaren Raum hinaus. 14 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt sollten sie das Geheimnis der Heliosphäre lüften. Dort kollidiert der Sonnenwind mit der Strahlung aus der Milchstraße. Damals hob auch Peter Wurz als junger Doktor der Physik ab. Doch nur für ein paar Stunden: für den Flug nach Amerika, wo er eine Stelle am Argonne National Laboratory in Chicago angenommen hatte. Er ahnte damals nicht, dass er zwei Jahre später am Physikalischen Institut in Bern mit den beiden Voyager-Sonden bei der Erforschung der Heliosphäre konkurrieren würde. Und er wusste auch nicht, dass der von ihm bald mitentwickelte IBEX-Satellit, der Interstellar Boundary Explorer, die Aussagekraft der Voyager-Daten um ein Vielfaches übertreffen würde.

Vor IBEX gab es über die Beschaffenheit und Größe der Heliosphäre nur wenig fundierte theoretische Vorstellungen. Astrophysiker vermuteten – und dies hat IBEX bestätigt –, dass diese Schutzschicht zwei unterschiedliche Räume umschließt. Der innere ist eine Sphäre, die hauptsächlich vom Sonnenwind beherrscht wird. Die Sonnenkorona schleudert pro Sekunde rund eine Million Tonnen Partikel davon. Beim Sonnenäquator schießen sie entlang des Sonnenmagnetfelds mit 400 Kilometern pro Sekunde ins All, an den Polen sogar mit bis zu 800 Kilometern pro Sekunde. An der Grenzschicht der inneren Hülle, dem „ Terminationsschock“, stellt sich dem Sonnenwind das „ Interstellare Medium“ mit seinen neutralen und ionisierten Teilchen entgegen und bremst die Teilchen des Sonnenwinds – überwiegend Protonen – auf Unterschallgeschwindigkeit ab. Das Magnetfeld der Sonne verliert hier an Einfluss. Doch der Sonnenwind dringt weiter ins All hinaus und vermischt sich im interstellaren Raum mit Staubpartikeln und Gasen. Diese Region, Heliosheath genannt, grenzt sich vom Interstellaren Medium durch die sogenannte Heliopause ab. Wie diese Grenze der Heliosphäre verläuft und welche Vorgänge dort stattfinden, erforscht IBEX zurzeit.

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Plasma durchflutet den Raum

Warum ist das erst jetzt möglich? „Von dem Terminationsschock kommt nichts, das wir sehen können“, sagt Peter Wurz. „Diese Grenzschicht ist optisch schwarz – dunkler Weltraum.“ Nur Plasma durchflutet den Raum: Elektronen und Protonen von der Sonne. Zusammen mit dem solaren Magnetfeld erfüllt dieses Plasma die Heliosphäre. „Die Teilchen sind extrem heiß – bis zu einer Million Grad Celsius“, erklärt Wurz. „Dagegen sind der Weltraum selbst und seine Körper, etwa die Kometen, eiskalt – rund minus 250 Grad Celsius.“

Wie ein grosser Stein im Fluss

Mit wenigen Bleistiftstrichen skizziert der Physiker mehrere aufeinander zulaufende gebogene Linien, durchkreuzt sie mit Pfeilen und illustriert so, weshalb die Grenzschichten der Heliosphäre, des Terminationsschocks und der Heliopause seit Langem die Forscher faszinieren: Es sind die Kollisionen, die sich hier ereignen. Unser Sonnensystem bewegt sich mitsamt der Heliosphäre mit 26 Kilometern pro Sekunde durch die umgebende interstellare Wolke. Was geschieht, wenn der Sonnenwind auf das Interstellare Medium trifft, vergleicht Wurz mit einem Fluss, in dessen Mitte ein großer Stein aufragt, sodass das Wasser abgebremst wird und aufschäumt. Das Gas der Milchstraße wird auf ganz ähnliche Weise von Überschall auf Unterschall abgebremst, und eine Bugwelle entsteht.

„Die interstellare Materie, besonders die geladenen Teilchen, werden dabei nach außen abgelenkt. Hier trifft das interstellare Magnetfeld auf das der Sonne, und die Grenzschichten werden zusammengedrückt.“ Diese Wechselwirkungen in 14 Milliarden Kilometer Distanz konnte IBEX nun sichtbar machen. Denn Boten dieser großen Umwälzungen gelangen weit hinein ins Sonnensystem, auch in Erdnähe: ungeladene Gasteilchen, besonders Wasserstoff-, Helium- und Sauerstoff-Atome. Die neutralen Partikel aus dem interstellaren Raum durchdringen die Grenzschichten, ohne abgelenkt zu werden. IBEX kann einige erhaschen und ihre Flugbahn, Energie und Masse analysieren. „Die Voyager-Sonden messen das Plasma erst nach ihrer 30-jährigen Reise. So lange wollten wir nicht warten“, meint Peter Wurz. Außerdem können die Voyager-Daten kaum räumliche Informationen liefern, da sie nur zwei Stichproben der Heliosphäre nehmen. „Stellen Sie sich vor, welches Bild wir von Deutschland erhielten, wenn ein Satellit nur zwei Stellen in Augenschein nehmen würde: eine in Hamburg und eine in Berlin“, verdeutlicht Wurz. „Wir bekämen den Eindruck, die Bundesrepublik bestünde aus einer 250 Kilometer großen Stadt.“

Spiegelglatt im All

Freilich benötigten Wurz und seine Kollegen 15 Jahre intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit, bis IBEX die ersten Bilder vom Terminationsschock erhaschen konnte. Zuerst musste ein Instrument entwickelt werden, um die interstellaren Teilchen zu analysieren. Eine vielversprechende Methode war die Massenspektrometrie, mit der man in Bern durch die Messungen des Sonnenwinds bereits gute Erfahrungen gesammelt hatte. Bei der Massenspektrometrie werden die ungeladenen Partikel zunächst ionisiert und dann nach ihrer Ladung getrennt. Schließlich wird das Verhältnis von Ladung zu Masse registriert. Aus den Daten sind so zuverlässige Aussagen über die Art der Teilchen möglich.

Doch es gab ein Problem: Zwei Drittel der neutralen interstellaren Partikel, die als kaltes Plasma zur Erde gelangen, haben eine zu geringe Energie, um mit den in der Raumfahrttechnik üblichen Massenspektrometern analysiert zu werden. Denn den Teilchen gelingt es nicht, eine dünne Folie aus Kohlenstoff zu durchdringen, um ionisiert zu werden. Als versierter Festkörperphysiker hatte Wurz deshalb eine Technik vorgeschlagen, die in der Kernfusion zur Ionisation von Wasserstoff-Atomen angewendet wird: Auf polierte Wolfram-Einkristalle sollte in der Erdumlaufbahn eine hauchdünne Schicht Cäsium aufgedampft werden, um eine spiegelglatte Fläche zu erhalten. Dies müsste im All erfolgen, weil die Schicht beim Start und beim Flug durch die Luft wegen der Erschütterungen nicht stabil bliebe. Jahrelang arbeiteten die Wissenschaftler, um diese Technik flugtüchtig zu machen. Cäsium ist ideal, weil sich neutrale Teilchen, die daran reflektiert werden, leicht ein Elektron schnappen können und sich dann als negativ geladene Ionen messen lassen. 1995 stellten die Berner Forscher diese Idee stolz der NASA vor. „So etwas wird im Weltraum nie funktionieren. Das ist viel zu aufwendig und zu komplex“, hielten ihnen die Amerikaner entgegen.

Doch die hartnäckigen Schweizer ließen sich nicht beirren und suchten weiter nach einer Lösung. Sie versuchten es zunächst mit geschliffenen Diamanten, die ausgezeichnete Daten lieferten, sich jedoch als zu kostspielig erwiesen. Die 28 nötigen Diamanten, trapezförmig und 2 mal 4 Zentimeter groß, hätten rund 1,5 Millionen Euro gekostet. Wurz und sein Team griffen deshalb zu künstlichen Diamanten aus vierflächigen amorphen Karbonschichten. Und sie hatten Erfolg: sowohl im Jahr 2000 bei der IMAGE-Mission der NASA (Imager for Magnetopause to Auroral Global Exploration) zur Erforschung der Erdmagnetosphäre als auch 2003 und 2005 bei den europäischen Sonden Mars-Express und Venus-Express. Auf allen Sonden charakterisierten die Instrumente interstellare neutrale Teilchen.

Als am 16. Dezember 2004 Voyager 1 den Terminationsschock durchquerte, 14,1 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt, hatten die NASA-Ingenieure Pech: Das wichtige Instrument für Plasmamessung der Sonde war schon seit Jahren defekt. Für die Berner Physiker war das die große Chance: Ihre Messtechnik erhielt Priorität. Am 25. Januar 2005 nahm die NASA IBEX ins Programm auf. Im Oktober 2007 waren sämtliche Instrumente flugtüchtig zusammengebaut. Und am 19. Oktober 2008 wurde der 107 Kilogramm schwere Satellit vom Flugzeug aus mit einer Pegasus-Rakete in einen Erdorbit geschossen, in eine elliptische Um-laufbahn, 7000 mal 320 000 Kilometer weit.

Zwei kreisende Sensoren, IBEX-Hi mit herkömmlicher Messtechnik und IBEX-Lo mit der sensitiven Berner Technik für die energieschwachen Partikel, sammeln seither die neutralen Teilchen aus dem interstellaren Raum, werten sie aus und funken die Daten zur Erde. Ähnlich wie die Scheinwerfer eines Leuchtturms drehen sich die beiden gegenüberliegenden Sensoren um die Achse des IBEX-Satelliten und suchen den Himmel nach interstellaren Teilchen ab. Die Achse ist zur Sonne ausgerichtet. Auf der Sonnenseite befinden sich die photovoltaischen Zellen für die Stromproduktion. Mit 12,9 Kilogramm ist IBEX-Lo 5,2 Kilogramm schwerer als IBEX-Hi.

Der Berner Sensor ist ein komplexes Instrument in Kegelform mit einem Durchmesser von nur 40 Zentimetern. Am Kegelrand sitzen die Eingangsschlitze für die neutralen Teilchen, zentral in der Mitte befindet sich das Flugzeitspektrometer für deren Analyse (siehe Grafik auf S. 46). Die Schlitze der in Quadranten aufgeteilten Eingänge sind in kleine sechseckige Kammern aufgeteilt, die nur Partikel aus bestimmten Richtungen hineinlassen. Zwei Elektroden sorgen dafür, dass bloß neutrale Teilchen Eingang finden und sowohl Elektronen als auch Ionen abgewiesen werden. Die erwünschten interstellaren Teilchen treffen nun zur Ionisation auf eine der 28 Konversions-Diamanten.

Falsche Elektronen aus dem Diamanten

Aufgeladen mit einem zusätzlichen Elektron fliegen sie als als negative Ionen durch eine weitere Kontrollstelle. Ein schwacher Magnet sorgt dafür, dass keine „falschen“ Elektronen aus dem Diamanten durchschlüpfen. Dann tritt der Energie-Analysator in Aktion. Ein elektrisches Feld wird so geschaltet, dass pro Umdrehung des Sensors nur die Teilchen eines bestimmten Energiebands beschleunigt und analysiert werden. Zudem sind im gebogenen Beschleunigungskanal extrem schwarze Lamellen angebracht, die störendes UV-Licht effizient schlucken. „In diesem Sensor“, so Peter Wurz, „steckt viel Gehirnschmalz.“

In zwei Minuten zeichnet IBEX-Lo acht Bilder auf. Das geschieht in engen Energiebereichen: zwischen 14 und 1900 Elektronenvolt. In den bildlichen Darstellungen sind stets nur die Messdaten eines Energiebereichs wiedergegeben: Rot markiert sind Stellen mit den meisten, violett mit den wenigsten Teilchen (siehe Abbildung oben). Am häufigsten werden Wasserstoff-Atome registriert. Ein Zehntel so häufig sind Helium-Atome und etwa ein Zehntausendstel Mal so häufig Sauerstoff-Atome. Je geringer die Energie der Teilchen ist, desto stärker haben diese am Rand der Heliosphäre interagiert und desto größer war der Druck, den das Interstellare Medium auf den Terminationsschock ausübte.

Das Bananen-Band

Im ersten Halbjahr, von Oktober 2008 bis Mai 2009, maß IBEX Daten, die ein neues Bild der Heliosphäre zeigten. Sie ist ganz anders beschaffen, als es Astronomen aufgrund ihrer Modelle und der Voyager-Messungen postuliert hatten. So hat das Interstellare Medium nicht dort die größte Einwirkung, wo die Heliosphäre frontal mit dem Interstellaren Medium kollidiert. „Die heranströmenden Teilchen formen ein Band, das einer Banane ähnelt“ , erklärt Wurz. Zudem zeigen die Messungen, dass die Heliosphäre eine stark zerklüftete Blase mit enormen Einbuchtungen ist. Anzeichen dafür lieferte bereits Voyager 2, die am 30. August 2007 den Terminationsschock gleich fünfmal durchquerte. Die ursprünglichen Modelle besagten, dass die gewölbte Form der Heliosphäre um höchstens etwa zehn Prozent variiert. „Aber die IBEX-Bilder zeigen, dass die Blase bis zu 100 Prozent Abweichungen aufweist und außerdem enge Furchen“, sagt Dave McComas, IBEX-Forschungsleiter der NASA.

Nicht nur durch das unerwartete Band dringen die neutralen Teilchen vermehrt ins Sonnensystem ein. Sie stoßen auch an vielen anderen Stellen durch die Heliosphäre. „Das Band geht vermutlich auf ein Magnetfeld im Interstellaren Medium zurück. Insgesamt hat die interstellare Umgebung einen viel größeren Einfluss auf die Heliosphäre, als wir angenommen haben“, folgert McComas. Bis mindestens 2012 wird der IBEX-Satellit neue Daten von der Heliosphären-Grenze liefern. „Wir gehen davon aus, dass sich die Bilder ständig ändern werden, ähnlich wie eine flackernde Flamme“ , sagt Peter Wurz. „Uns stehen aufregende Jahre bevor.“

Auch für uns Erdbewohner ist die Kosmische Strahlung aus dem interstellaren Raum, die in die Heliosphäre eindringt, von Bedeutung. Zwar wird ihr größter Teil von der irdischen Magnetosphäre und Atmosphäre abgehalten. Doch Astronauten sind vor der Strahlung aus dem All viel schlechter geschützt. Und wenn sich unsere Nachfahren einmal entschließen sollten, zu den Sternen zu fliegen, sind umfassende Schutzmaßnahmen vor der krebserregenden Kosmischen Strahlung nötig. Außerhalb der Heliosphäre ist die Strahlenbelastung etwa um den Faktor 100 größer als auf der Erde. Dies heißt freilich nicht, dass außerirdisches Leben deshalb unwahrscheinlich ist. Auch extrasolare Sonnensysteme dürften eine Schutzhülle haben. „Denn ohne diesen Schutz hätte sich das Leben wohl anders entwickelt: strahlentoleranter“, vermutet Peter Wurz. „Zudem sind ja auch manche Bakterien hier auf der Erde wesentlich strahlentoleranter als wir Menschen.“ ■

CHRISTIAN BERNHART ist Wissenschaftsjournalist in Bern. In diesem Heft berichtet er auch über eine neue Herz- Lungen-Maschine (ab S. 90).

von Christian Bernhart

KOMPAKT

· Am Rand der Heliosphäre, die von der Teilchenstrahlung der Sonne beherrscht wird, kollidiert der Sonnenwind mit der interstellaren Wolke.

· Schweizerische Forscher entwickelten ein hochempfindliches Massenspektrometer, das kosmische Teilchen mittels Diamanten nachweist.

MEHR ZUM THEMA

INTERNET

IBEX-Webseiten mit Bildern und Videos: www.nasa.gov/mission_pages/ibex/ www.ibex.swri.edu/

Die Abteilung Weltraumforschung und Planetologie des Physikalischen Instituts der Universität Bern: space.unibe.ch/en.html

Interview mit Peter Wurz zu IBEX: www.drs.ch/www/de/drs4/themen/ wissen/wissen-aktuell/147078.die-grenzen-des-sonnensystems-neu-erforscht.html

Die interstellaren Voyager-Missionen: voyager.jpl.nasa.gov/mission/ interstellar.html

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