Heliosphäre – seltsam faltig

Faltenstruktur Heliosphäre

Gigantische und mysteriöse Faltenstrukturen wurden von der NASA am Rande unseres Sonnensystems in der Heliosphäre entdeckt – was da genau los ist und was es ist mit diesen Strukturen auf sich hat.

Dieser Beitrag handelt von: kosmischen Falten. Ja, richtig gelesen. Um zu schauen, was es damit auf sich hat, müssen wir erst mal in die äußeren Bereiche des Sonnensystems reisen, weit hinter den Zwergplaneten Pluto. Der ist sehr weit von uns entfernt, 7,5 Milliarden Kilometer. 

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Die Region des Sonnensystems, um die es in diesem Beitrag geht, ist aber noch viel weiter weg. Es geht um die sogenannte Heliosphäre. Die beginnt in einer unbegreiflichen Distanz von knapp 15 Milliarden Kilometern, ist also noch mal doppelt so weit entfernt von uns wie der Pluto. 

Was ist die Heliosphäre?

Diese mysteriöse Grenze wurde erst von zwei menschengemachten Objekten durchquert: von den Voyager-Sonden. Nachdem sie im Jahr 1977 losgeflogen sind, hat Voyager 1 die Heliosphäre im Jahre 2012 komplett durchquert, Voyager 2 folgte dann 2018. Aber was ist die Heliosphäre überhaupt? Die Heliosphäre gilt für viele als eine Art Begrenzung unseres Sonnensystems und ist im Prinzip ein geschützter Bereich, den unsere Sonne in den gefährlichen und harschen Weiten der Galaxis für uns schafft. 

Die Heliosphäre
So könnte sie aussehen: die Heliosphäre

Die Sonne schießt jede Menge energiereiche Partikel ins All, den sogenannten Sonnenwind. In den anderen Bereichen der Milchstraße wiederum, also in unserer Galaxis, befindet sich zwischen den einzelnen Sternsystem überall das sogenannte interstellare Medium, galaktischer Staub, Gase und auch sehr gefährliche Strahlung. Sonnenwind und interstellares Medium versuchen sich gegenseitig zu verdrängen. Es gelingt dem Sonnenwind eine Art sicheren Bereich um uns herum zu schaffen, in dem das interstellare Medium verdrängt wird und wir vor gefährlicher kosmischer Strahlung einigermaßen sicher sind. 

IBEX will Geheimnisse um Heliopause lüften

Den Punkt, an dem die Heliosphäre endet und das interstellare Medium beginnt, nennt man Heliopause. Diese haben wir nicht nur mit Hilfe der Voyager-Sonden genauer untersuchen können, sondern auch mit dem NASA-Forschungssatelliten IBEX, kurz für Interstellar Boundary Explorer. IBEX befindet sich seit 2008 im Erdorbit und ist dafür gebaut, die Geheimnisse der Heliosphäre zu lüften. 

Darstellung von IBEX der NASA
Darstellung von IBEX der NASA

Der IBEX-Satellit macht sich eine ganz besondere Technik zunutze. In der Heliosphäre werden durch das Wechselspiel des Sonnenwinds mit dem interstellaren Medium besondere elektrische Ladungen der Atome erzeugt. Diese Heliosphärenatome werden dann zum Teil in die Weiten der Galaxis fortgeschleudert, zum Teil aber auch wieder zurück Richtung inneres Sonnensystem. Dort können sie dann von IBEX aufgefangen und analysiert werden. IBEX registriert also fortgeschleuderte Atome der Heliosphäre und kann daher trotz der immensen Distanz Informationen über die Heliosphäre gewinnen – im Prinzip eine Art kosmische Echolotung. 

Druck des Sonnenwinds stieg an

Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung des Astrophysikers Eric Zirnstein von der Princeton University hat festgestellt, dass IBEX im Jahre 2014 einen immensen Anstieg des Drucks des Sonnenwinds registrierte. Innerhalb weniger Monate stieg der Druck des Sonnenwinds um knapp 50 Prozent. 

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Die Daten dieses Druckanstiegs konnten die Forscher nutzen, um eine detaillierte Form der Heliosphäre und der Heliopause zu errechnen. Und das Ergebnis ist wirklich erstaunlich und zeigt: Die Heliopause besitzt eine Struktur, von der wir bislang absolut keinen Schimmer hatten. In der Heliopause fanden sie riesige Wellen, riesige kosmische Falten in der Größenordnung von Dutzenden Astronomischen Einheiten. Eine astronomische Einheit ist eine gewaltige Längeneinheit, sie beschreibt nämlich die durchschnittliche Entfernung der Erde zur Sonne, also rund 149 Milliarden Kilometer. Wir reden hier also von Falten in der Heliopause, die eine Größe von mehreren Milliarden Kilometern aufweisen. 

Falten in der Heliopause

Aber wie entstehen diese großen Faltenstrukturen? Auch das konnten die Forscher anhand der IBEX-Daten herausfinden. An der Heliopause läuft eine reflektierte Welle von energetisierten Teilchen zurück und kollidiert mit dem noch immer neu eintreffenden Strom geladenen Sonnenplasmas aus Richtung Zentrum des Sonnensystems, wodurch ein Sturm energiereicher neutraler Atome entsteht, der die Heliopause regelrecht eindellt. Die Heliosphäre ist also keineswegs ein statisches, festes Gebilde, sondern wabert, vibriert, faltet sich zusammen und dehnt sich dann wieder aus – und die genaue Art der Bewegung richtet sich eben nach dem Ausmaße des neu eintreffenden Sonnenwinds und des zurück reflektierten Sonnenwinds, der vom interstellaren Medium der Milchstraße zurückgeschleudert wurde. 

Darstellung der Falten in der Heliosphäre
Darstellung der Falten in der Heliosphäre

Das hat übrigens auch sehr interessante Konsequenzen für die Voyager-Sonden. Wir haben ja festgestellt, dass diese schon vor Jahren die Heliopause überquert haben. Man könnte meinen, dass sie nun die Heliosphäre für immer hinter sich gelassen haben. Tatsächlich ist die Heliosphäre aber ein wenig wie ein kosmischer Stalker und wabert den Voyagers hinterher. Wenn sich die Faltenstrukturen nämlich wieder glätten – im Form von Sonnenplasma als stellares Botox – dann vergrößert sich die Ausdehnung. 

Heliopause jagt Voyager hinterher

Voyager 1 durchquerte die Heliopause im Jahr 2012 in einer Entfernung von 122 Astronomischen Einheiten zur Sonne. Im Jahr 2016 betrug der Abstand der Sonne zur Heliopause in Richtung Voyager 1 etwa 131 Astronomische Einheiten; zu diesem Zeitpunkt war Voyager 1 etwa 136 Astronomische Einheiten von der Sonne entfernt, also immer noch im interstellaren Raum und auch immer noch jenseits der Heliopause – aber mit einer sich aufblähenden Heliosphäre im Rücken. 

Es wird zwar nicht dazu kommen, dass die Heliosphäre Voyager 1 wieder einholt und ihr dadurch den Titel interstellare Raumsonde nimmt – dafür ist Voyager zu schnell – aber der Abstand wächst nicht so schnell wie man meinen könnte, da die Heliosphäre sich eben teilweise aufbläht und versucht Voyager 1 hinterherzueilen. Falls Ihr jetzt noch mehr über diese kosmischen Falten, die uns umgeben, lernen wollt, habt Ihr Glück: IBEX steht zwar kurz vor dem Ende seiner Mission, wird dann aber 2025 durch eine neue Sonde der NASA ersetzt, und zwar durch die Interstellar Mapping and Acceleration Probe, kurz IMAP. 

IMAP von NASA
IMAP von NASA

IMAP wird eine größere Reichweite, Genauigkeit und Auflösung haben und so nicht nur den gesamten Himmel häufiger kartieren können, sondern statt in einer Erdumlaufbahn wird sie sich am Lagrange Punkt Eins befinden, der anderthalb Millionen Kilometer von der Erde und ihrer störenden Magnetosphäre entfernt ist, genau wie übrigens das James Webb Space Telescope. An diesem Punkt kann man die von der Heliosphäre fortgeschleuderten Partikel dann noch viel viel besser analysieren. 

Ihr wollt mehr über dieses Thema erfahren? Dann schaut direkt mal in das Video von Astro-Tim rein:

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Ganz andere Form als gedacht: Das Sonnensystem ist ein Croissant!

Die Form unseres Sonnensystems ist ganz anders als gedacht. Es ist ein… Croissant!

Dieser Artikel ist ein Beitrag für den Beitrag für den Fast Forward Science 2021/22 Wettbewerb – http://fastforwardscience.de – #FFSci #OpenBoxSpezial

Die Sonne schießt jede Menge energiereiche Partikel ins All, den sogenannten Sonnenwind. In der Milchstraße wiederum, also in unserer Galaxis, befindet sich zwischen den einzelnen Sternsystem überall das sogenannte interstellare Medium, also galaktischer Staub, Gase und auch sehr gefährliche Strahlung. Sonnenwind und interstellares Medium versuchen sich gegenseitig zu verdrängen und es gelingt dem Sonnenwind eine Art sicheren Bereich um uns herum zu schaffen, in dem das interstellare Medium verdrängt wird und wir vor gefährlicher kosmischer Strahlung einigermaßen sicher sind. Diesen Bereich bezeichnet man als Heliosphäre.

Heliosphere - Wikipedia
Eine Darstellung der Heliosphäre

Nun würde man annehmen, dass die Heliosphäre sich kugelförmig um unser Sonnensystem herum ausbreitet. Dieser Annahme wollte ein Team von Wissenschaftlern auf den Grund gehen und hat dafür unter anderem die Daten der Voyager Sonden ausgewertet. Denn diese beiden Raumsonden haben bisher als einzige von Menschen gemachte Objekte die Heliosphäre durchquert. Im Jahre 1977 starteten die beiden Sonden und erreichten schließlich viele Jahrzehnte später die Heliosphäre. Seit dem Jahre 2018 befinden sie sich hinter der Heliosphäre und durchfliegen nun das interstellare Medium – und eine Modellierung der Heliosphäre auf Basis der Voyager-Daten hat die Croissant-Form ergeben. Nur wie ist das zu erklären? Was formt die Heliosphäre zu einem Hörnchen? Die Antwort: Jets! Der Sonnenwind wird in besonders heftigem Maße in den sogenannten heliosphärischen Jets ausgestoßen. Dabei handelt es sich um Zwillingsstrahlen, die von den Sonnenpolen, also Sonnennordpol und Sonnensüdpol, ausgehen. Diese Jets schießen jedoch nicht in einer graden Linie heraus, sondern krümmen sich angetrieben von der Bewegung unseres Sonnensystems – diese Krümmung lässt sie sich dann verformen wie die Spitzen eines Croissants. Sozusagen ein Doppelschweif unseres Sonnensystems.

Wir leben schließlich in einer kolossalen Blase in Croissantform
Die Heliosphäre als Croissant

Jetzt natürlich die große Frage: Warum ist das überhaupt wichtig? Warum sollte es uns interessieren, dass wir in einem kosmischen Croissant leben? Weil das Wissen über die Form und Beschaffenheit der Heliosphäre uns mehr darüber verrät, wie und vor allem wo die kosmische Strahlung am ehesten eindringen könnte. Der an der Forschungsarbeit beteiligte Astrophysiker James Drake formuliert es so:

“Die von der Sonne erzeugte Blase, die uns umgibt, bietet Schutz vor der galaktischen kosmischen Strahlung. Natürlich kann die Art und Weise, wie die galaktische kosmische Strahlung eindringen kann, von der Struktur der Heliosphäre beeinflusst werden.”

– James Drake

Aber – und das darf man nicht vergessen – diese Form muss nicht konstant sein. Denn unser Sonnensystem rast mit einer Geschwindigkeit von 230 Kilometern pro Sekunde durch die Milchstraße. Diese Bewegung und auch die Aktivität der Sonne selbst beeinflussen die Form der Heliosphäre. Die Forscher fanden aber noch einen weiteren Faktor, der die Heliosphäre instabil macht und zwar neutrale Wasserstoffatome, also Wasserstoffatome ohne Ladung. Die strömen überall durch die Galaxis und die Wissenschaftler haben in ihrer modellierten Simulation einfach mal ein wenig rumgespielt und den neutralen Wasserstoff als externen Faktor, der mit der Heliosphäre wechselwirkt, ausgeschaltet. Und dann passierte etwas Komisches: Als die Forscher die neutralen Atome aus ihrem Modell herausnahmen, wurden die heliosphärischen Jets plötzlich stabil. Die Heliosphäre verformte sich nicht mehr. Die Astrophysikerin Merav Opher von der Boston University sagt dazu:

“Wenn ich die neutralen Atome wieder einsetze, fangen die Dinge an, sich zu verbiegen, die Mittelachse beginnt zu wackeln, und das bedeutet, dass etwas in den heliosphärischen Jets sehr instabil wird. Unser Modell versucht nicht, das Chaos auszublenden, was es mir ermöglicht hat, die Ursache für die Instabilität der Heliosphäre genau zu bestimmen: Die neutralen Wasserstoffteilchen.”

– Merav Opher

Heißt: die neutralen Wasserstoffatome aus den anderen Bereichen der Galaxis interagieren mit den ionisierten Partikeln des Sonnenwinds in der Heliosphäre und bringen sie ganz durcheinander. Man nennt das Rayleigh-Taylor-Instabilität. Das bezeichnet eine Instabilität, die an der Grenzfläche zwischen zwei Substanzen unterschiedlicher Dichte auftritt, wenn die leichtere Substanz in die schwerere drückt.

File:Adding Milk to Coffee.jpg - Wikimedia Commons
Rayleigh-Taylor-Instabilität in einem Milchkaffee

Dies wiederum führt zu großräumigen Turbulenzen. Das klingt sehr kompliziert, ist aber ein bekanntes Alltagsphänomen: Wenn beispielsweise Milch in Kaffee gegossen wird. Die beiden Substanzen, Milch und Kaffee, haben unterschiedliche Dichten und es kommt in der Tasse zu heftigen Turbulenzen. Was am Rand unserer Heliosphäre geschieht, kann man sich also ein wenig wie das Chaos in einem Milchkaffee vorstellen.

Noch mehr über die Croissant-Form unseres Sonnensystems erfahrt Ihr in diesem Video:

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