IBEX: Geheimnisvolle Teilchen vom Rand des Sonnensystems

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Astronomen durchforsten unsere Milchstraße auf der Suche nach einer zweiten Erde, Kosmologen rätseln über die Natur der Dunklen Materie und der Dunklen Energie. Unser Universum hat noch jede Menge ungelöste Fragen zu bieten. Einige davon liegen direkt vor unserer Haustür, und das manchmal sogar völlig unbekannterweise. Das mußten vor einem Jahr schon Wissenschaftler vom texanischen Southwest Research Institute feststellen, die federführend bei der Auswertung der Daten des Interstellar Boundary Explorer (IBEX) sind. Und wie sich jetzt herausgestellt hat, gibt der äußerste Bereich unseres Sonnensystems, den IBEX untersucht, immer neue Rätsel auf.

Der nur 107 kg leichte Kleinsatellit IBEX. Rechts einer der beiden Telchendetektoren.Image Credit: NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab.
 
IBEX ist ein Kleinsatellit aus der "Small Explorer"-Serie der NASA. Zu seinen Artgenossen gehören damit zum Beispiel die beiden Sonnenbeobachtungssatelliten TRACE (Transition Region and Coronal Explorer) und RHESSI (Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager) oder der einzige derzeit aktive UV-Satellit, der Galaxy Evolution Explorer GALEX. Der Großteil der übrigen "Small Explorer"-Satelliten widmet sich allerdings der Fernerkundung der Erde, meist der Erforschung des Erdmagnetfelds und der Entstehung von Polarlichtern. Ein ähnliche Aufgabe hat auch IBEX, allerdings in viel größerem Maßstab.

IBEX soll den "Termination Shock" untersuchen, wo die Teilchen des Sonnenwindes auf interstellare Materie treffen, die also den Einflußbereich des Magnetfelds der Sonne abgrenzt, die Heliosphäre. Bislang sind nur vier Raumsonden so weit in die Außenbereiche unseres Sonnensystems vorgedrungen: die Missionen Pioneer 10 und 11, zu denen allerdings inzwischen der Kontakt abgebrochen ist, und Voyager 1 und 2. Gut 30 Jahre waren die beiden unterwegs, bis sie vor wenigen Jahren den Termination Shock in einer Entfernung von rund 90 Astronomischen Einheiten erreicht haben. Immer wieder haben sie während ihrer Reise das interplanetare Magnetfeld und die Teilchendichte des Sonnenwinds vermessen – und tun es auch heute noch, obwohl sie die magische Grenze längst überschritten haben.

 
Schematische Darstellung der Heliosphäre der Sonne. Image Credit: Wikipedia

Im Gegensatz zu den Voyager-Sonden hat man IBEX nur auf eine kurze Reise geschickt, nämlich in den Erdorbit. Denn auch mitten aus unserem Sonnensystem heraus lassen sich seine Außenbereiche studieren. IBEX hält Ausschau nach hochenergetischen Teilchen, und zwar nach ungeladenen Teilchen, die also nicht durch das Magnetfeld der Sonne, der Erde oder der anderen Planeten abgelenkt werden können. Solche Teilchen entstehen dort draußen am Termination Shock, wenn schnelle Protonen aus dem Sonnenwind mit neutralen Wasserstoffatomen aus der interstellaren Materie kollidieren. Die Teilchen tauschen dabei praktisch ihre Rollen, die geladenen Protonen werden abgebremst, die langsamen Atome beschleunigt. Einige dieser Energetic Neutral Atoms (kurz ENAs) wandern wieder nach innen – und können von den Teilchendetektoren eingesammelt und untersucht werden, die IBEX an Bord hat.

Die beiden Instrumente, IBEX-Hi and IBEX-Lo, können nicht nur die Energie der einfallenden Teilchen bestimmen, sondern auch grob die Richtung messen, aus der sie gekommen sind. Daraus läßt sich dann eine Karte generieren, aus welcher Richtung wieviele solcher Teilchen auf die Erde treffen.

Nun waren die Wissenschaftler eigentlich der Meinung, daß man alles bedacht hätte, was das Aussehen dieser Karte beeinflussen können sollte, als IBEX vor zwei Jahren gestartet wurde: den Sonnenwind, das Magnetfeld der Sonne, die Bewegung der Sonne im interstellaren Raum, die interstellare Materie selber, kosmische Strahlung. Erwartet wurde eine dipolartige Struktur, die dadurch verursacht würde, daß der Aufprall des Sonnenwinds auf die interstellare Materie "in Fahrtrichtung" anders ablaufen würde als mit "Rückenwind". Unklar war dagegen, aus welcher Richtung mit mehr neutralen Teilchen zu rechnen ist und wie viele es werden, denn das hängt stark von den Eigenschaften des interstellaren Materials ab.

IBEX-Meßdaten des Flussen neutraler Teilchen bei einer Energie von 1.1keV. Deutlich ist die Schleife höherer Konzentration zu erkennen. Eingezeichnet sind ebenfalls die beiden "Durchstoßpunkte von Voyager 1 und 2 durch den Termination Shock. Image Credit: McComas, et al, and Science

Die Karte, die die IBEX-Wissenschaftler dann vor einem Jahr veröffentlichten, sah aber völlig anders aus. Ein schleifenförmiges Band mit einzelnen Verdickungen durchzog den Neutralteilchenhimmel, von einem Dipol keine Spur. Die Heliosphärenforscher standen zunächst vor einem Rätsel. Wie sich herausstellte, hatten sie die Stärke des Magnetfeldes unterschätzt, das das interstellare Medium selber durchzieht. Die Wechselwirkung der Heliosphäre mit dem interstellaren Magnetfeld bestimmt letztendlich die Bereiche, in denen die ENAs vornehmlich entstehen.

Nun hat IBEX in den letzten Monaten fleißig weitergemessen – und festgestellt, daß sich eine der Verdickungen in dem Band, praktisch eine Art Knoten im Magnetfeld, im Laufe weniger Monate aufgelöst hat. Auch damit, daß sich die Strukturen, die IBEX sieht, so schnell verändern können, haben die Wissenschaftler nicht gerechnet. Sie zeigen uns aber einmal mehr wie veränderlich der Kosmos ist: Nicht nur daß der Sonnenwind und die Heliosphäre die wechselnde Aktivität der Sonne abbilden, auch die interstellare Materie in unserer kosmischen Nachbarschaft und ihr Magnetfeld scheinen es in sich zu haben.

Der jungeStern LL Ori im Orionnebel treibt einen deutlich sichtbaren "Bow Shock" vor sich her, der sich dort bildet wo seine Magnetosphäre auf das Nebelmaterial stößt.Image Credit: NASA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Die vorgesehene Primärmission von IBEX ist nun nach zwei Jahren Meßdauer eigentlich abgeschlossen. Von einem möglichen Ende des Projektes ist aber weder bei der NASA noch beim Southwest Research Institute etwas zu lesen. Angesichts der überraschenden Ergebnisse wird man den Kleinsatelliten also vermutlich so lange weitermessen lassen wie es geht. Aus der Erforschung des Termination Shock der Sonne will man nämlich nicht nur möglichst viel über unser eigenes Sonnensystem lernen, sondern auch über extrasolare Planetensysteme. Das gilt insbesondere für solche, die noch im Entstehen oder gerade erst entstanden sind. In Sternentstehungsgebieten herrschen nämlich viel höhere Dichten im interstellaren Material, so daß die Wechselwirkung mit der Heliosphäre und damit auch der Einfluß auf die Planeten eines sich "durchpflügenden" Sterns viel stärker sein sollten.

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Astronomin in vielerlei Hinsicht, so könnte man mich mit wenigen Worten beschreiben. Da ist zunächst einmal die Astrophysikerin, die an der Hamburger Sternwarte über die Aktivität von Sternen promoviert und dabei hauptsächlich mit den Röntgensatelliten Chandra und XMM-Newton gearbeitet hat, aber auch schon am Very Large Telescope in Chile beobachten durfte. Auslöser ihres beruflichen Werdegangs war ein engagierter Lehrer, dessen Astronomie-AG sie ab der 7. Klasse besuchte. Ungefähr zur selben Zeit erwachte auch die Hobbyastronomin, die anläßlich des Einschlags des Kometen Shoemaker-Levi 9 auf den Jupiter begann, mit einem russischen Feldstecher vom Flohmarkt den Tanz der Jupitermonde zu verfolgen. Heutzutage freut sie sich über jede Gelegenheit, mit ihrem 16-zölligen Dobson tief im Odenwald fernab der Lichter der Rheinebene auf die Jagd nach Deep-Sky-Objekten zu gehen. Und da Amateurastronomen gesellige Wesen sind, treffe ich mich gerne mit Gleichgesinnten, zum Beispiel zum gemeinsamen Beobachten. Auch nach meinem Umzug von der Großstadt Hamburg in das schöne Universitätsstädtchen Heidelberg halte ich engen Kontakt zu meinen Vereinskameraden von der Hamburger Gesellschaft für volkstümliche Astronomie und dem Astronomieverein meiner Jugend, dem Arbeitskreis Sternfreunde Lübeck. Seit einigen Jahren bin ich außerdem in dem Internetforum Astrotreff aktiv, wo ich Teil des Moderatorenteams bin. Um meine Faszination an der Astronomie an andere weitergeben zu können, besonders an Kinder und Jugendliche, habe ich mich seit Jahren in der Öffentlichkeitsarbeit engagiert, habe populärwissenschaftliche Vorträge gehalten und Schülergruppen betreut, die in Hamburg das Institut besucht haben. Diese Leidenschaft habe ich nun zu meinem Beruf gemacht. Hier in Heidelberg arbeite ich in einem kleinen aber feinen Team am Haus der Astronomie. Hiermit lade ich Sie ein, lieber Leser, an all diesen Facetten meines Astronomendaseins teilzuhaben. Mal witzig, mal spannend oder nachdenklich, manchmal auch persönlich oder mit Aha-Effekt. Carolin Liefke

4 Kommentare

  1. Entstehung der ENAs

    Ist eigentlich die Entstehung der ENAs am Termination Shock die einzige Entstehungsmöglichkeit? Solche schnellen Teilchen müssten doch auch im interstellaren Raum selbst vorkommen?

  2. @Peter

    Die Energien die die ENAs haben – übersetzt in Geschwindigkeiten – sind sehr hoch, um ein vielfaches höher als die Geschwindigkeiten normaler neutraler Teilchen im Kosmos. Irgendwie müssen sie also so hoch beschleunigt worden sein. Im Prinzip wäre das im Weltraum kein Problem – wären sie geladen. Denn kosmische Magnetfelder, die Teilchen beschleunigen können, gibt es jede Menge, bei neutralen Teilchen funktioniert der Mechanismus aber nicht. Und die Teilchen als geladene Atomrümpfe zu beschleunigen und dann mit freien Elektronen zu neutralen Atomkernen zu rekombinieren, ist bei den Geschwindigkeiten aussichtslos. Die Übertragung der Energien bei so einem Zusammenstoß von hochenergetischen geladenen Teilchen wie sie der Sonnenwind liefert und normalen neutralen Teilchen ist da einfach die effektivste Methode.

    Es gibt übrigens noch eine weitere Quelle für ENAs: Wenn nämlich die geladenen Teilchen aus dem Sonnenwind auf die Erde treffen, passiert genau dasselbe. Dank des Erdmagnetfelds bildet sich um unseren Heimatplaneten eine Stoßfront aus, die verhindert, daß uns der Sonnenwind auf direkt trifft. Zu Wechselwirkungen der schnellen Sonnenwindteilchen mit Teilchen aus den alleräußersten Schichten der Erdatmosphäre kommt es aber dennoch, so daß sich auch hier ENAs bilden können, die IBEX auch mißt. Deren charakteristisches Siganl läßt sich aber leicht von den ENAs aus den Randbereichen des Sonnensystems unterscheiden.

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