Sonne und Heliosphäre

Die Sonne - der Gigant aus Gas

 

Die Sonne ist ein 1,4 Millionen Kilometer großer Gasball, der hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium besteht und 99,8 Prozent der Masse des Planetensystems in sich vereint. Im 15 Millionen Grad Celsius heißen Zentrum der Sonne verschmelzen Atomkerne von Wasserstoff zu Helium. Die dabei frei werdende Energie wird durch Strahlung und Gasströmungen (Konvektion) bis zur sichtbaren, 6000 Grad heißen Sonnenoberfläche transportiert und dort in den Weltraum abgestrahlt.

Vermutlich erzeugen Gasströmungen im Inneren der Sonne ein Magnetfeld, das an der Oberfläche dunkle Flecken und andere Erscheinungen hervorruft. In der weit ausgedehnten Korona, die ohne besondere Hilfsmittel nur während einer totalen Sonnenfinsternis sichtbar ist, nimmt die Temperatur wieder auf mehr als eine Million Grad zu. Das heiße Gas der Korona bleibt überwiegend im Magnetfeld der Sonne gefangen wie in einem Käfig. Ein Teil des Gases entweicht jedoch und strömt als Sonnenwind mit einer Geschwindigkeit von bis zu drei Millionen Kilometern pro Stunde durch den interplanetaren Raum.

Am Institut studieren die Forscher die ganze Vielfalt der dynamischen und oft spektakulären Prozesse der Sonne - vom Sonneninneren bis zur äußeren Heliosphäre. Im Brennpunkt der Forschung steht dabei das Magnetfeld, das bei diesen Prozessen eine entscheidende Rolle spielt. Gesucht werden Antworten auf grundlegende Fragen: Wie wird das Magnetfeld der Sonne erzeugt? Warum schwankt es in einem elfjährigen Rhythmus? Wie verbindet das Magnetfeld der Sonne die verschiedenen Schichten der Sonnenatmosphäre miteinander? Wie wird die Korona auf mehrere Millionen Grad aufgeheizt?

Grundlegend neue Erkenntnisse über die Sonne haben am Institut (mit-)entwickelte Instrumente auf den Raumsonden SOHO und STEREO geliefert. So wurde durch Messungen des UV-Spektrometers SUMER auf SOHO die entscheidende Rolle des Magnetfeldes bei dynamischen Prozessen erkannt, während STEREO erstmals 3D-Beobachtungen der Sonne und der inneren Heliosphäre erlaubt.

 

Die Sonne - ein Stern, der Leben spendet

 

Mit ihrer Strahlung liefert die Sonne der Erde die Wärme, ohne die es kein Leben geben kann. Veränderungen auf der Sonne sind daher immer auch hinsichtlich ihrer möglichen Auswirkungen auf die Biosphäre der Erde zu betrachten. So fanden Forscher durch Messinstrumente auf Satelliten heraus, dass die Gesamthelligkeit der Sonne im elfjährigen Zyklus ihres Magnetfelds um etwa 0,1 Prozent schwankt. Obwohl diese Veränderung nur gering ist, kann sie dennoch das empfindliche Gleichgewicht des Erdklimas beeinflussen.

Gewaltige Eruptionen auf der Sonne schleudern Wolken aus Gas und Magnetfeldern in den Weltraum und auch auf das irdische Magnetfeld. Besonders starke Sonnenstürme können diesen natürlichen Schutzschild durchbrechen und so zu intensiven Polarlichtern, aber auch zur Beeinträchtigung des Funkverkehrs und möglichen Beschädigungen von Kommunikationssatelliten, Telefon- und Hochspannungsleitungen führen. Die Beeinflussung der Erde durch die schwankende Aktivität der Sonne ist ein wichtiges Forschungsthema am Institut. So arbeiten die Wissenschaftler intensiv am NASA-Projekt STEREO mit, bei dem zwei Raumsonden aus verschiedenen Sichtwinkeln Störungen von der Sonne bis zur Erde verfolgen und so eine Vorhersage von potenziell gefährlichen Ereignissen gestatten werden.

Aktuelle und zukünftige Projekte konzentrieren sich auf die Erforschung der physikalischen Ursachen der Veränderungen auf der Sonne. Das unter Leitung des Instituts entwickelte Teleskop Sunrise hat an einem Ballon aus einer Höhe von etwa 35 Kilometern die Struktur des Magnetfelds in den oberflächennahen Schichten der Sonnenatmosphäre bei bisher zwei Flügen in den Jahren 2009 und 2013 mit einer vorher nicht erreichten Detailgenauigkeit untersucht.

 

Bei der ehrgeizigen ESA-Mission Solar Orbiter, die aus einem Vorschlag des Instituts hervorging, wird eine Weltraumsonde, die im Jahr 2017 gestartet werden soll, bis auf 28 Prozent des Abstands Erde - Sonne an den Stern heranfliegen und das Magnetfeld und seine Auswirkungen in den verschiedenen Schichten der solaren Atmosphäre untersuchen.