ESA-Raumsonde Vigil soll vor Sonnenstürmen warnen

Die ESA-Sonde Vigil soll die Vorwarnzeit vor gefährlichen Sonnenstürmen deutlich verkürzen. Am MPS entsteht eines der Instrumente der Mission. 

In Kürze:

• Aktuelle Entscheidung: Die ESA-Ministerratskonferenz hat jetzt den weiteren Fahrplan für die Weltraummission Vigil beschlossen. Die Raumsonde soll ab 2031 gefährliches Weltraumwetter vorhersagen.
• Wissensvorsprung: Vigil schaut aus bisher ungenutzter Beobachtungsposition auf die Sonne. Die Vorwarnzeit vor Sonnenstürmen verlängert sich so um bis zu fünf Tage.
• Göttinger Beteiligung: Der Photospheric Magnetic Field Imager (PMI) von Vigil wird unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) entwickelt und gebaut. Arbeiten an dem Instrument haben bereits begonnen. 
• Wissenschaftliche Messdaten: PMI liefert beinahe ununterbrochen und in Echtzeit detaillierte Karten des Magnetfeldes an der sichtbaren Sonnenoberfläche. Das ist auch für wissenschaftliche Zwecke wertvoll. 

Von der Erdoberfläche oder aus Erdnähe im All schauen mehrere Teleskope und Raumsonden unentwegt auf die Sonne. Wenn sich dort eine möglicherweise gefährliche Sonneneruption zusammenbraut, merken sie es als erste – jedoch mit einer recht kurzen Vorwarnzeit von höchstens drei Tagen. Denn ebenso wie die Planeten rotiert auch die Sonne um die eigene Achse. Die Regionen, die das künftige Weltraumwetter auf der Erde bestimmen, drehen sich erst nach und nach in unser Sichtfeld; die ersten Anzeichen eines gefährlichen Sonnensturms bleiben uns so verborgen. Ein effektiveres Vorwarnsystem benötigt deshalb in erster Linie einen Perspektivenwechsel.

Diesen soll die ESA-Sonde Vigil ermöglichen. Ihr Start ist für 2031 geplant. In einem Abstand von etwa 150 Millionen Kilometern wird die Sonde der Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne folgen. Vigil schaut so auf die Seite der Sonne, die sich der Erde erst vier bis fünf Tage später zuwendet. Der anvisierte Beobachtungsposten zählt zu den so genannten Lagrange-Punkten. Dies sind insgesamt fünf Positionen im Sonne-Erde-System, an denen eine Raumsonde im Gleichtakt mit der Erde um die Sonne kreisen kann. Der Punkt L5 wurde in der Weltraumforschung bisher noch nicht genutzt.

Ein Instrument und sein Vorgänger

Vier Messinstrumente werden an Bord von Vigil in verschiedene Schichten der Sonne schauen: von der Oberfläche über die innere bis in die äußere Atmosphäre. Zudem misst die Sonde mit zwei Instrumenten den Sonnenwind, der die Raumsonde an Ort und Stelle umströmt. Vigils Photospheric Magnetic Field Imager (PMI), der derzeit am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) entsteht, hat die Oberfläche der Sonne im Blick und bestimmt Stärke und Richtung des dortigen Magnetfeldes. Wenn sich das Magnetfeld stellenweise umstrukturiert und Energie freisetzt, kann das eine Sonneneruption auslösen.

Vorbild für PMI ist das Instrument PHI (Photospheric and Helioseismic Imager), das seit 2020 an Bord der ESA-Raumsonde Solar Orbiter um die Sonne kreist. Auch PHI wurde unter Leitung des MPS entwickelt und gebaut. „Die Erfahrung, die wir in den vergangenen Jahren beim Bau von PHI gesammelt haben, sind für unseren Beitrag zu Vigil sehr wertvoll“, so PMI-Projektmanager Jan Staub vom MPS. Eine exakte Kopie von PHI ist das neue Instrument jedoch nicht. Anders als PHI soll PMI beinahe in Echtzeit und im Dauerbetrieb die Grundlage für Weltraumwettervorhersagen liefern.

Wissenschaftliche Anwendungen

Der ununterbrochene Datenstrom aus einzigartiger Perspektive ist nicht nur zur Vorhersage von Sonnenstürmen, sondern auch unter Forschenden gefragt. Besonders in Zusammenarbeit mit anderen Raumsonden ergeben sich neue Möglichkeiten:

• Ansichten der Sonnenrückseite: Durch Methoden der Helioseismologie könnte Vigil seinen Wissensvorsprung noch weiter vergrößern. Schallwellen durchlaufen die Sonne und verbinden so ihre erdabgewandte und ihre erdzugewandte Seite. Da sich solche Wellen unter dem Einfluss starker Magnetfelder schneller ausbreiten, ist es möglich, durch Beobachtungen der Schallwellen an der erdzugewandten Sonnenoberfläche auf Regionen hoher magnetischer Aktivität auf der Rückseite der Sonne zu schließen. Große und komplexe aktive Regionen sind oftmals potentielle Ausgangsorte zukünftiger Sonneneruptionen. „Vigils Perspektive vom Lagrange-Punkt L5 wird es uns erlauben, aktive Regionen auf der Rückseite der Sonne mit verbesserter Genauigkeit und Verlässlichkeit aufzuspüren“, so Laurent Gizon, Geschäftsführender Direktor des MPS.  
• Magnetfeldmessungen: Das Magnetfeld der Sonne ist Motor vieler Prozesse auf unserem Stern – und Schlüssel zu seinem Verständnis. Doch bisher lässt sich nur die Magnetfeldkomponente in Blickrichtung eindeutig und routinemäßig messen. Für Abhilfe kann ein Stereo-Blick auf die Sonne aus zwei Perspektiven sorgen. So lässt sich auch die Magnetfeldkomponente senkrecht zur Blickrichtung zweifelsfrei bestimmen, wie Forschende des MPS bereits zeigen konnten. Dafür werteten sie gleichzeitig aufgenommene Daten der ESA-Raumsonde Solar Orbiter und der erdnahen NASA-Raumsonde Solar Dynamics Observatory (SDO) aus. Durch Vigil werden solche Daten erstmals ständig zur Verfügung stehen.  
• Helligkeit von Sonnenfackeln: Um die Gesamthelligkeit der Sonne und ihre Schwankungen einzuschätzen, sind neben den dunklen Sonnenflecken auch Sonnenfackeln von maßgeblicher Bedeutung. Das sind besonders helle Gebiete auf der Sonnenoberfläche mit hohen magnetischen Feldstärken. Entscheidende Eigenschaften von Sonnenfackeln lassen sich nur unzureichend messen, wenn sie von der Erde aus betrachtet am Rand der Sonne liegen. „Mit einer Seitenansicht auf diese Regionen können wir die Magnetfelder der Fackeln besser bestimmen und mehr über ihre Helligkeit erfahren“, erklärt Kinga Albert vom MPS, die entsprechende Studien mit Daten der ESA-Raumsonde Solar Orbiter und SDO durchgeführt hat.