Zum ersten Mal hat ein Raumschiff Kontakt mit der Sonne aufgenommen. Während eines Vorbeiflugs ist die Parker Solar Probe der NASA in die Sonnenatmosphäre eingedrungen.
„Wir sind endlich angekommen“, sagte Nicola Fox, Direktor der Heliophysics Science Division der NASA in Washington, DC, am 14. Dezember in einer Pressekonferenz auf der Herbsttagung der American Geophysical Union. “Die Menschheit hat die Sonne berührt.”
Parker verließ den interplanetaren Raum und durchquerte am 28. April 2021 während einer seiner engen Begegnungen mit der Sonne das solare Territorium. Dort nahm die Sonde die ersten Messungen vor, wo genau diese Grenze liegt, die als kritische Alfvén-Oberfläche bezeichnet wird. Es befand sich etwa 13 Millionen Kilometer über der Sonnenoberfläche, berichteten Physiker bei dem Treffen, das online und in New Orleans stattfand, und in Physische Überprüfungsschreiben am 14.12.
„Wir wussten, dass die kritische Oberfläche von Alfvén existieren muss“, sagte der Sonnenphysiker Justin Kasper von der University of Michigan in Ann Arbor bei der Pressekonferenz. “Wir wussten nur nicht, wo es war.”
Diese entscheidende Schicht zu finden, war eines der Hauptziele von Parker, als es 2018 auf den Markt kam (SN: 05.07.18). Die kritische Oberfläche von Alfvén ist wichtig, weil sie markiert, wo sich Plasmapakete von der Sonne trennen und Teil des Sonnenwinds werden können, dem schnellen Strom geladener Teilchen, der ständig von der Sonne ausgeht (SN: 18.08.17). Der Sonnenwind und andere, dramatischere Formen des Weltraumwetters können die Satelliten der Erde und sogar das Leben verwüsten (SN: 26.02.21). Wissenschaftler wollen genau bestimmen, wie der Wind entsteht, um besser zu verstehen, wie er die Erde beeinflussen kann.
Die kritische Oberfläche von Alfvén könnte auch der Schlüssel zu einem der größten Sonnenmysterien sein: Warum die Sonnenkorona, ihre dünne äußere Atmosphäre, so viel heißer ist als die Sonnenoberfläche (SN: 20.08.17). Bei den meisten Wärmequellen sinken die Temperaturen mit zunehmender Entfernung. Aber die Korona der Sonne brutzelt mit mehr als einer Million Grad Celsius, während die Oberfläche nur wenige tausend Grad beträgt.
1942 schlug der Physiker Hannes Alfvén eine Lösung des Rätsels vor: Eine Art magnetischer Welle könnte Energie von der Sonnenoberfläche transportieren und die Korona aufheizen. Es dauerte bis 2009, um solche Wellen in der unteren Korona direkt zu beobachten, aber sie trugen dort nicht genug Energie, um die ganze Hitze zu erklären (SN: 19.03.09). Sonnenphysiker haben vermutet, dass das, was passiert, wenn diese Wellen höher steigen und auf die kritische Oberfläche von Alfvén treffen, eine Rolle bei der Erwärmung der Korona spielen könnte. Aber bis jetzt wussten die Wissenschaftler nicht, wo diese Grenze begann.
Nachdem die Grenze identifiziert wurde, „werden wir jetzt direkt miterleben können, wie die koronale Erwärmung stattfindet“, sagte Kasper.
Als Parker die unsichtbare Grenze überquerte, registrierten seine Instrumente einen deutlichen Anstieg der Stärke des lokalen Magnetfelds und eine Abnahme der Dichte des geladenen Materials. Draußen im Sonnenwind sprudeln Wellen geladener Teilchen von der Sonne weg. Aber unterhalb der kritischen Oberfläche von Alfvén biegen sich einige dieser Wellen zurück zur Sonnenoberfläche.
Überraschenderweise zeigten Parkers Messungen, dass die kritische Oberfläche von Alfvén faltig ist. „Das war eine der großen offenen Fragen“, sagt der Sonnenphysiker Craig DeForest vom Southwest Research Institute in Boulder, Colorado, der zum Parker-Sondenteam gehört, aber nicht an dieser Messung beteiligt war.
„In der Community gab es einige Diskussionen darüber, ob die Alfvén-Oberfläche überhaupt als Oberfläche existieren würde“, sagt er. Vor Jahrzehnten stellten sich Wissenschaftler die Grenze als eine glatte Kugel vor, die die Sonne wie eine Schneekugel umgibt. In jüngerer Zeit dachten einige, es wäre so zerlumpt, dass es nicht sichtbar wäre, wenn die Raumsonde es überquerte.
Keines dieser Bilder stellte sich als richtig heraus. Die Oberfläche sei glatt genug, um den Moment der Überfahrt spürbar zu machen, sagte Kasper. Aber während der engen Annäherung der Raumsonde an die Sonne im April überquerte sie die Grenze dreimal. Das erste Bad dauerte etwa fünf Stunden, das letzte nur eine halbe Stunde.
„Die Oberfläche hat eindeutig eine gewisse Struktur und Krümmung“, sagte Kasper.
Diese Struktur könnte alles beeinflussen, von der Art und Weise, wie Sonneneruptionen die Sonne verlassen, bis hin zu der Art und Weise, wie der Sonnenwind weiter von der Sonne entfernt mit sich selbst interagiert, sagt DeForest. „Das hat Konsequenzen, die wir noch nicht kennen, die aber wahrscheinlich tiefgreifend sein werden“, sagt er. „Das ist sehr spannend. Es ist Terra Incognita.“
Parker umkreist immer noch die Sonne und plant, in den nächsten Jahren mehrere weitere Annäherungsversuche durchzuführen, um schließlich bis auf 6 Millionen Kilometer an die Sonnenoberfläche heranzukommen. Das sollte Parker immer wieder in die Sonnenkorona bringen, sagte der Sonnenphysiker Nour Raouafi vom Johns Hopkins Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland, in der Pressekonferenz. Die Raumsonde hat möglicherweise im August eine weitere Reise an der kritischen Oberfläche von Alfvén hinter sich gebracht und wird im Januar eine weitere Gelegenheit haben.
„Wir gehen davon aus, dass wir diese Grenze weiterhin überschreiten, wenn wir der Sonne immer näher kommen“, sagte Raouafi. Aber die Grenze ist möglicherweise nicht jedes Mal an der gleichen Stelle. Wenn sich die Aktivität der Sonne ändert, wird erwartet, dass das Niveau der kritischen Oberfläche von Alfvén steigt und fällt, als ob die Korona ein- und ausatmet, sagte er.
Auch das wollen Wissenschaftler zum ersten Mal beobachten.