Astronomie: Das Band am Rand

Das Wechselspiel zwischen dem Sonnenwind und dem interstellaren Gas, das unser Sonnensystem umgibt, ist komplexer, als bislang vermutet. Das zeigen Messungen des amerikanischen Satelliten „IBEX“, die mehrere Forscherteams jetzt im Fachblatt „Science“ präsentieren. Unter anderem stießen sie am Rand des Sonnensystems auf eine unerwartete, bandförmige Struktur, aus der besonders viele Atome bis zu uns vordringen. Sie vermuten, dass das Magnetfeld der Milchstraße dieses Strahlungsband verursacht.

Von den heißen Außenschichten der Sonne geht ein ständiger Strom geladener Teilchen aus: Elektronen, Protonen und Alpha-Teilchen, also Kerne von Heliumatomen. Dieser „Sonnenwind“ fegt mit einem Tempo von bis zu 900 Kilometern pro Sekunde durch das Sonnensystem und hat so das interstellare Gas – also das dünn verteilte, vor allem aus Wasserstoff bestehende Gas zwischen den Sternen – aus der Umgebung der Sonne verdrängt. Diese „Heliosphäre“ genannte Blase im interstellaren Gas hat einen Radius, der zwischen dem 100- und dem 150-fachen des Abstands zwischen Erde und Sonne liegt, was bis zu 23 Milliarden Kilometern entspricht.

Dort draußen werden die schnellen Teilchen des Sonnenwinds beim Auftreffen auf das interstellare Gas zunächst drastisch auf eine Geschwindigkeit von 130 Kilometern pro Sekunde abgebremst. Durch das Abbremsen in dieser „Termination Shock“ genannten Zone heizt sich der Sonnenwind auf eine Temperatur von etwa 200 000 Grad Celsius auf. Beim Zusammentreffen der Teilchen von drinnen und draußen entstehen energiereiche Atome. Diese sind elektrisch neutral und können deshalb ungehindert von Magnetfeldern in das innere Sonnensystem eindringen. Diesen Strom neutraler Atome nutzen die Forscher, um sich mit Hilfe von IBEX ein Bild von den Vorgängen am Rande des Sonnensystems zu machen.

„Wir hatten erwartet, dass die Strahlung von der interstellaren Grenzschicht nur geringe räumliche Variationen zeigt“, sagt David McComas vom Southwest Research Institute in Texas, Chefwissenschaftler der IBEX-Mission. „Doch dann sind wir auf ein schmales Band gestoßen, aus dem zwei- bis dreimal mehr Atome zu uns kommen als aus anderen Himmelsregionen.“ Diese Beobachtung widerspreche den Theorien, die Astroforscher bislang zum Rande des Sonnensystems entwickelt haben.

Ein großes Problem für ihre Arbeit ist die riesige Entfernung zu ihrem Forschungsobjekt. Raumsonden benötigen rund 30 Jahre, um bis zur Heliosphäre zu gelangen. Deshalb gibt es keine gezielten Missionen in diese Regionen. Die einzigen Sonden, die bislang den Termination Shock durchquert haben, sind Voyager 1 und 2.

Das eigentliche Ziel der beiden Satelliten war die Erforschung der äußeren Planeten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Doch die Lebensdauer der Flugkörper übertraf alle Erwartungen und so konnten sie noch Jahre später Daten vom Rand des Sonnensystems zur Erde funken.

Und auch dabei gab es bereits einige Überraschungen für die Forscher. Voyager 1 durchquerte den Termination Shock am 16. Dezember 2004 in einem Abstand von der Sonne, der 94 Erdbahnradien entspricht. Voyager 2 folgte am 30. August 2007 – unerwartet früh, denn zu jeneme Zeitpunkt war die Sonde erst 84 Erdbahnradien von der Sonne entfernt. Dieser Unterschied verblüffte die Wissenschaftler. Die Grenze zwischen Sonnenwind und interstellarem Gas verläuft offenbar sehr viel unregelmäßiger als gedacht. Und sie kann sich rasant verschieben: Voyager 2 durchquerte den Termination Shock innerhalb weniger Tage gleich fünf Mal. Voyager 2 war auch die erste Sonde, die die Temperatur direkt hinter dem Termination Shock gemessen hat, sie beträgt 200 000 Grad Celsius.

Unter irdischen Bedingungen wäre der Flugkörper sofort verglüht. An der Grenze zum interstellaren Raum ist die Dichte der Gase jedoch extrem gering, so dass praktisch kein Wärmeaustausch zwischen Gas und Sonde stattfindet. Sie „überlebt“ und kann weitere Messwerte sammeln und zur Erde schicken.

Doch die beiden Voyagersonden konnten die Grenzschicht der Heliosphäre nur an zwei Punkten untersuchen. McComas vergleicht die Situation mit Wetterbeobachtungen: Zwei Stationen am Erdboden können zwar sehr genaue Wetterdaten liefern, aber ihnen kann doch ein Sturm entgehen, wenn er nicht genau über die Stationen hinwegzieht. Ein lückenloses Bild können nur Wettersatelliten liefern.

Genau das hat auch der IBEX-Satellit erstmals für das „Weltraumwetter“ am Rande des Sonnensystems geleistet. „Das von IBEX entdeckte Band schlängelt sich genau zwischen den beiden Voyagers hindurch“, erläutert McComas. „Deshalb konnten es die Sonden nicht entdecken.“

Was die Ursache für das Strahlungsband ist, wissen McComas und seine Kollegen bislang nicht, die Analyse der Daten ist noch lange nicht abgeschlossen. Allerdings gibt ihnen die Lage des Bandes zu denken: Es verläuft gerade dort, wo das Magnetfeld der Milchstraße parallel zur Oberfläche der Heliosphäre liegt. Das spricht nach Ansicht der Forscher dafür, dass die interstellare Umgebung, insbesondere auch das galaktische Magnetfeld, einen erheblich größeren Einfluss auf die Heliosphäre besitzt, als bislang vermutet. Mc Comas ist sicher: „Die IBEX-Messungen werden in jedem Fall unser Verständnis von der Heliosphäre revolutionieren.“