Parker Solar Probe: Die Geheimnisse der Sonnenkorona entschlüsseln

Die Parker Solar Probe (PSP) der NASA ist eine revolutionäre Mission, die einen neuen Maßstab in der Erforschung unseres Zentralgestirns setzt. Seit ihrem Start im Jahr 2018 ist die Sonde darauf ausgelegt, die äußere Sonnenatmosphäre – die Korona – direkt zu durchqueren und uns näher an die Sonne heranzubringen als je zuvor. Diese Mission ist nicht nur ein technologisches Meisterstück, sondern dient dem zentralen Ziel, die fundamentalen physikalischen Prozesse zu entschlüsseln, die die Sonne zu einem dynamischen System machen und das gesamte Sonnensystem beeinflussen. Die PSP wurde zu Ehren des berühmten Astrophysikers Eugene Parker benannt, der in den 1950er-Jahren als Erster die Existenz des Sonnenwinds voraussagte.

Die Hauptziele der Mission: Zwei ungelöste Rätsel

Die Forschung der Parker Solar Probe konzentriert sich auf zwei der größten ungelösten Rätsel der Sonnenphysik, deren Lösung unser Verständnis von Sternen im Allgemeinen revolutionieren könnte.

1. Die Koronale Temperaturanomalie

Die Koronale Temperaturanomalie beschreibt das Phänomen, dass die Sonnenkorona – die äußerste Schicht der Atmosphäre – um ein Vielfaches heißer ist als die darunter liegende Oberfläche, die Photosphäre. Während die Photosphäre eine Temperatur von etwa 5.500 Grad Celsius aufweist, erreicht die Korona Temperaturen von ein bis drei Millionen Grad Celsius. Nach den Gesetzen der Thermodynamik sollte die Temperatur jedoch mit zunehmendem Abstand vom Kern abnehmen.

Die Parker Solar Probe soll die Energiemechanismen identifizieren, die für diese Umkehrung des Temperaturgradienten verantwortlich sind. Aktuelle Theorien favorisieren zwei Hauptansätze:

• Magnetische Rekonnexion (Nanoflares): Plötzliche, lokale Neuordnung von Magnetfeldern, die immense Energiemengen in Form von sogenannten Nanoflares freisetzt.
• Plasmawellen (Alfvén-Wellen): Energietransport durch Schwingungen und Wellen im Plasma, die Energie von der Sonnenoberfläche in die Korona befördern und dort als Wärme freigeben.

2. Der Ursprung und die Beschleunigung des Sonnenwinds

Der Sonnenwind ist ein stetiger Strom geladener Teilchen (hauptsächlich Elektronen und Protonen), der von der Korona ausgeht und mit Überschallgeschwindigkeit durch das Sonnensystem strömt. Er ist die Ursache für Phänomene wie Polarlichter, aber auch für potenziell schädliche geomagnetische Stürme.

Die Sonde untersucht die Übergangszone, in der das solare Plasma von einem langsamen, unbeschleunigten Zustand zu einem schnellen, energiereichen Strom übergeht. Die PSP liefert die ersten direkten Messungen aus der sogenannten Alfvén-Kritischen-Zone, dem Punkt, an dem der Sonnenwind die Schallgeschwindigkeit in diesem Plasma überschreitet und sich nicht mehr entlang der Magnetfelder bewegen kann. Die Erkenntnisse sollen aufklären, wie das Plasma beschleunigt wird und welche Magnetfeldstrukturen für den schnellen und den langsamen Sonnenwind verantwortlich sind.

Ingenieurskunst: Überleben im Extrembereich

Um ihre Ziele zu erreichen, muss die Parker Solar Probe Bedingungen standhalten, die weit über das hinausgehen, was jede frühere Sonde erlebt hat.

Der revolutionäre Hitzeschild (TSS)

Das Herzstück der Überlebensfähigkeit der Sonde ist das Thermal Protection System (TSS). Dieser 11,43 Zentimeter (4,5 Zoll) dicke Hitzeschild besteht aus einem Kohlenstoff-Verbundmaterial mit einer speziellen Keramikschicht auf der Außenseite, die weiß gehalten ist, um möglichst viel Sonnenlicht zu reflektieren.

• Schutzfunktion: Bei den nächsten Vorbeiflügen wird der Schild Temperaturen von bis zu 1.400 Grad Celsius (rund 2.550 Grad Fahrenheit) ausgesetzt sein.
• Interne Temperatur: Dank des Hitzeschilds bleibt der Großteil der wissenschaftlichen Instrumente und Elektronik im Schatten der Sonde bei komfortablen Raumtemperaturen (etwa 30 Grad Celsius).

Autonome Navigation und Kühlung

Die Sonde ist mit einem hochpräzisen Navigationssystem ausgestattet, das dafür sorgt, dass die empfindlichen Instrumente immer im Schatten des Hitzeschilds bleiben. Darüber hinaus verfügen die Solarzellen, die zur Stromversorgung dienen, über ein aktives Kühlsystem, das Wasser unter Druck verwendet, um überschüssige Wärme abzuleiten und die Zellen funktionsfähig zu halten.

Bahnbrechende Entdeckungen der Mission

Bereits die ersten Vorbeiflüge haben unser Verständnis der Sonnenphysik grundlegend verändert. Die gesammelten Daten bestätigen, dass die Prozesse in der Korona viel turbulenter und komplexer sind, als es Modelle bisher angenommen hatten.

1. Die „Switchbacks“ (Schaltwellen)

Eine der spektakulärsten Entdeckungen sind die sogenannten „Switchbacks“ – plötzliche, dramatische Umkehrungen der magnetischen Feldlinien in der Korona.

• Phänomen: PSP registrierte, wie das Magnetfeld in S-förmigen Knicken schnell die Richtung ändert und dann zur ursprünglichen Konfiguration zurückkehrt. Diese Magnetfeld-Ereignisse sind viel häufiger und stärker in der Nähe der Sonne.
• Bedeutung: Es wird vermutet, dass diese „Schaltwellen“ eine Schlüsselrolle bei der Beschleunigung des Sonnenwinds spielen, indem sie Energie von der Sonne in den Weltraum übertragen und die geladenen Teilchen auf ihre hohen Geschwindigkeiten bringen.

2. Strukturierter und „gepulster“ Sonnenwind

Die Messungen zeigten, dass der Sonnenwind nahe seiner Quelle nicht wie ein gleichmäßiger Strom fließt, sondern in komplexen, gebündelten Strukturen und „gepulsten“ Ausbrüchen organisiert ist. Dies deutet darauf hin, dass der Wind an spezifischen, lokalisierten Stellen in der Korona entspringt.

3. Die Staubfreie Zone

Die Sonde bestätigte die Existenz einer staubfreien Zone in unmittelbarer Sonnennähe. Durch die intensive Sonnenstrahlung sublimieren die interplanetaren Staubpartikel, sobald sie die kritische Temperatur von etwa 1.800 Grad Celsius erreichen, und hinterlassen eine staubarme Region.

Ausblick und Bedeutung für das Weltraumwetter

Die Parker Solar Probe wird ihre elliptische Umlaufbahn bis voraussichtlich 2025 fortsetzen. Durch die Nutzung der Schwerkraft der Venus wird die Sonde ihren Abstand zur Sonne immer weiter verringern und schließlich bis auf 6,16 Millionen Kilometer an die Oberfläche herankommen.

Die gewonnenen Informationen sind von direkter praktischer Bedeutung. Ein besseres Verständnis der Mechanismen, die Sonnenwind und koronale Massenauswürfe (CMEs) steuern, ermöglicht präzisere Vorhersagen des Weltraumwetters. Da die  moderne Welt stark von Satelliten, Kommunikationsnetzen und Stromversorgung abhängt, ist die Fähigkeit, vor schweren Sonnenstürmen zu warnen und Schutzmaßnahmen zu ergreifen, von kritischer Wichtigkeit. Die Parker Solar Probe leistet somit einen essenziellen Beitrag zum Schutz unserer technologischen Zivilisation.