IBEX: An der Grenze menschgemachter Raumfahrt

19. Oktober 2008

Der Start der NASA-Mission IBEX markiert ein neues Kapitel in der Erforschung der Grenze unseres Sonnensystems. Die Sonde wird eine Region untersuchen, über die wir bisher nur sehr wenig wissen.

Künstlerische Darstellung der etwa Busreifen-großen IBEX-Sonde (NASA)

Künstlerische Darstellung der etwa Busreifen-großen IBEX-Sonde (NASA)

Am 16. Dezember 2004 dringt die 27 Jahre zuvor gestartete Raumsonde Voyager 1 in die Randbereiche der Heliosphäre vor. Trotz weiterer Daten der Schwestersonde Voyager 2, welche die selbe Schwelle im August 2007 überquert, fehlt der Wissenschaft weiter das große Bild der Grenzregion unseres Sonnensystems. Denn wie die Schockwelle zwischen Sonnenwind und interstellarem Teilchenstrom wirklich aussieht und welchen zeitlichen Schwankungen sie unterworfen ist, ist völlig ungeklärt. Der Interstellar Boundary Explorer (IBEX) der NASA soll das ändern.

Die Sonne schleudert ständig einen dichten Strom geladener Teilchen ins Planetensystem, der jedoch nur wenig mit irdischen Orkanen gemein hat. In jeder Sekunde verliert unser Stern rund eine Million Tonnen Masse, die als Sonnenwind mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 400 Kilometern pro Sekunde in das Sonnensystem vordringen. Diese erzeugen eine Blase aus solarer Materie mit einer scharfen Bugwelle und einem längeren Schweif, die wir als Heliosphäre bezeichnen. In wachsendem Abstand zur Sonne nimmt ihre Dichte immer weiter ab, bis der Teilchenstrom schließlich beginnt, mit der interstellaren Materie zu interagieren: Auf seiner Bahn um das Zentrum der Milchstraße bewegt sich das Sonnensystem durch einen Teil des interstellaren Raums, der aus einem dünnen Materiegemisch besteht. Hier tummeln sich Staub, Überreste von Supernovae, Teilchen aus dem Wind anderer Sterne und Atome, die direkt nach dem Urknall entstanden. Am Rande der Heliosphäre werden zuerst die Sonnenwindteilchen abgebremst und erreichen am Termination Shock Unterschallgeschwindigkeit, was zu einem Aufheizen und veränderten Magnetfeldern führt. In der Heliopause kommen beide Teilchenströme zum Stillstand. Auf der anderen Seite beginnt der beeinflusste Bereich des interstellaren Mediums mit dem Bow Shock.

Während die Voyager-Sonden mehrere Punkte des Termination Shock erkunden konnten, reicht ihr Instrumentarium nicht für großräumigere Untersuchungen dieser Region aus. Voyager 2 passierte die Schwelle innerhalb von mehreren Tagen gleich fünfmal und in einem Abstand von rund 84 Astronomischen Einheiten (AE), während Voyager 1 bei der Passage der Grenze noch 94 AE von der Sonne entfernt war. Das heißt, dass die Grenzregion des Sonnensystems starken Schwankungen unterliegt, die vermutlich mit den Aktivitätszyklen der Sonne zusammenhängen und nicht nur im Jahres-, sondern auch im Tagesrhythmus variieren.

IBEX ist die erste Mission, die eine globale Karte der Grenze unseres Sonnensystems erstellen soll. Die unbetankt nur 107 Kilogramm schwere Sonde wurde am 19. Oktober von Bord eines Frachtflugzeugs aus rund 12 Kilometern Höhe mit einer Pegasus XL-Trägerrakete gestartet. Die auch im Budget leichtgewichtige 165 Millionen US-Dollar-Mission gehört zum Small Explorer-Programm der NASA und soll Vorkommen und Dichte neutral geladener Atome in der Grenzregion aufzeichnen. Die Messungen werden während der zwei Jahre dauernden Mission zu einer Karte des Termination Shock zusammengeführt.

Aus dem Erdorbit lässt sich die Grenze der Heliosphäre nur mit Hilfe von energetic neutral atoms (ENAs) nachvollziehen. Treffen energetische geladene Teilchen des Sonnenwindes mit den neutralen interstellaren Atomen zusammen, kommt es zu einem Ladungsaustausch. Das nun neutrale Teilchen verlässt daraufhin als ENA den Ort des Geschehens auf einer gerade Flugbahn, da es anders als Ionen nicht mehr durch äußere Magnetfelder beeinflusst werden kann. Misst man nun Masse und Energie der ENAs aus einer definierten Richtung, sind direkte Rückschlüsse auf die Interaktionen in ihrem Entstehungsgebiet möglich.

Die Voyager-Sonden konnten knapp mehr als zwei Jahrzehnte nach ihrem Start den Übertritt des Termination Shock zur Erde melden.  (NASA)

Die Voyager-Sonden konnten knapp mehr als zwei Jahrzehnte nach ihrem Start den Übertritt des Termination Shock zur Erde melden. (NASA)

Das Fliegengewicht IBEX kann seine wissenschaftliche Aufgabe mit nur zwei Instrumenten erfüllen. IBEX-Hi und IBEX-Lo sollen die neutralen Atome aufnehmen, diese zur besseren Bestimmung ionisieren und schließlich in festgelegten Energiebereichen identifizieren und zählen. Ein Kollimator wird das Sichtfeld der Instrumente eingrenzen, um einzelne Raumregionen genau beproben zu können. Die Messungen kann IBEX – ein klarer Vorteil gegenüber den Voyager-Veteranen – bequem von zu Hause aus vornehmen: Die Sonde wird in eine stark exzentrische Erdumlaufbahn geschossen, auf der sie 5.000 bis 300.000 Kilometer von der Erde entfernt. Das ist wichtig, da die Magnetosphäre des Planeten sonst genaue Messungen behindern kann. Der Perigäum innerhalb des Einflussbereichs des Erdmagnetfelds soll zur Übertragung der Daten an die Bodenstation genutzt werden.

Ziel der IBEX-Mission ist ein besseres Verständnis der Grenze unseres Sonnensystems, die rund 100 AE oder 15 Milliarden Kilometer von uns entfernt liegt. Erst kürzlich wurde sie erstmalig von aktiven Raumsonden durchquert, die bereits vor Jahrzehnten die Erde verließen. Mit indirekten Messmethoden gelingt es IBEX, die Region von der Erde aus zu vermessen. Die Grenze wird nicht nur durch Schwankungen in der Sonnenaktivität ständig verschoben, sondern auch durch externe Einflüsse wie explodierende Sterne, deren Strahlungseinflüsse auch das Leben auf der Erde beeinflussen können.

Ungeborene Welten beobachtet

19. September 2008

Mit dem Very Large Telescope gelang erstmals der Nachweis von Löchern in embryonalen Sonnensystemen. Diese könnten auf sehr junge Planeten hinweisen.

Das Modell der Entstehung des Planetensystems

Künstlerische Vorstellung eines Lochs in einer protoplanetaren Scheibe, das durch einen Planeten freigeräumt worden ist.  (ESO)

Künstlerische Vorstellung eines Lochs in einer protoplanetaren Scheibe, das durch einen Planeten freigeräumt worden ist. (ESO)

Wie entstanden unsere Sonne und das Planetensystem? Die Frage ist so alt wie die Naturwissenschaften selbst und lange wurde um eine Antwort gerungen. Bis ins 20. Jahrhundert hinein existierten die unterschiedlichen Modelle. Erst in den letzten Jahrzehnten mit dem Ausschwärmen von Raumsonden ins Sonnensystem verdichteten sich die Hinweise zum heute anerkannten Modell. Danach ballte sich Gas eines gigantischen Nebels aufgrund lokaler Anziehungskräfte zu einer symmetrischen Kugel zusammen, die einen zunehmend dichten und durch den Druck heißer werdenden Kern besaß, eine werdende Sonne. Durch die Kontraktion und bedingt durch die Drehimpulserhaltung wurde die Eigenrotation der Kugel schneller, was zu einer Abplattung und der Entstehung einer protoplanetaren Scheibe führte. Diese Theorie hatten bereits Emanuel Kant und Pierre-Simon Laplace im 18. Jahrhundert beschrieben, fanden jedoch zu deren Lebzeiten keine weitere Beachtung.

Doch wie ging die Entstehung des Planetensystems weiter? Der gängigen Theorie zufolge kam es nun auch in der protoplanetaren Scheibe, die aus Gas und Gesteinsbrocken bestand, zur gravitativen Zusammenballung von Materie, was schließlich immer größere Körper hervorbrachte, die ständig miteinander wechselwirkten bzw. kollidierten und dabei einen Konzentrationsprozess bis hin zur Entstehung von Planeten – und Kleinplaneten, also asteroidenartigen Körpern – vorantrieb.

Neue astronomische Beweise

Klingt dieses Modell auch noch so schlüssig, muss die astronomische Beobachtung zeigen, ob sich stichhaltige Beweise dafür finden lassen. Die ersten Aufnahmen von protoplanetaren Scheiben gelangen im Jahr 1994 mit dem Hubble-Weltraumteleskop. Darin sich bewegende Planeten oder Kleinplaneten zu entdecken, war seitdem selbst mit den besten Teleskopen nicht gelungen.

Einem Forscherteam um Klaus Pontoppidan vom California Institute of Technology in Pasadena gelang es nun mit Hilfe des Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) erstmals, Löcher in protoplanetaren Scheiben nachzuweisen. Löcher sollten der Theorie nach dort entstehen, wo sich planetenartige Körper durch die Gas- und Staubwolke bewegen und sich dabei den Weg freiräumen. Pontoppidans Gruppe analysierte drei Scheiben genauer. Während im System SR 21 ein großer Planet im Abstand von etwa 3,5 AU (eine Astronomische Einheit entspricht dem mittleren Abstand Erde-Sonne) seine Bahnen zieht, ist in HD 135344B ein Planet in 10 bis 20 AU Abstand zu erahnen. Ein bis zwei Planeten erwarten die Forscher um TW Hydrae.

„Unsere Beobachtungen zeigen klar, dass sich trotz der Ähnlichkeit aller drei Sterne zu unserer Sonne völlig unterschiedliche Planetensysteme entwickeln werden“, sagte Pontoppidan. „Die Natur scheint sich ungern zu wiederholen.“

Die direkte Beobachtung der Löcher geht an die Grenzen der aktuell verfügbaren Teleskoptechnik. Der Radius der Scheiben beträgt rund 100 AU, unser Abstand zu ihnen etwa 200.000 AU. Dies entspricht der Fähigkeit eines Passanten in Lissabon, der das Nummernschild eines im 2.000 Kilometer entfernten Stockholm fahrenden Autos abzulesen, unbeachtet der Erdkrümmung.

Die hohe Auflösungsfähigkeit wurde mithilfe der adaptiven Optik des VLT erreicht, einer Technik, bei der Schwankungen der Atmosphäre ausgeglichen werden können. Die Beobachtungen wurden im Nahinfrarot-Bereich mit dem Instrument CRIRES gemacht, das dem VLT zugeschaltet ist.

Die Wissenschaftler konzentrierten sich bei ihrer Arbeit vor allem auf die inneren Bereiche der Scheiben, wo auch erdähnliche Planeten entstehen könnten. Ihnen gelang es, Körper bis zu einem Abstand von weniger als 0,1 AU nachzuweisen und dabei gleichzeitig die Gasgeschwindigkeit zu bestimmen.

ESO-Mitarbeiter begrüßten den Erfolg der verwendeten Techniken und kündigten an, in Zukunft regelmäßig protoplanetare Scheiben beobachten zu wollen. So möchte man dem Ursprung der unterschiedlichen Planetensysteme und den unseres eigenen etwas näher kommen.

Unbekannt: Das einsame Leuchten im Bärenhüter

17. September 2008

Die Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ist ein Projekt zur Durchmusterung des Himmels und dient als Datenbank der Spektren der verschiedensten Objekte im Universum. Daran beteiligt sind die USA, Japan, Korea und Deutschland, ins Leben gerufen wurde es von der Alfred P. Sloan Foundation. In einer einzelnen Nacht werden im Rahmen der SDSS bis zu […]

Die linken Bilder zeigen die Raumregion im Bärenhüter vor dem Aufleuchten, rechts ist das Objekt im Bärenhüter nahe seines Maximums dargestellt. (Barbary et al.)

Die linken Bilder zeigen die Raumregion im Bärenhüter vor dem Aufleuchten, rechts ist das Objekt im Bärenhüter nahe seines Maximums dargestellt. (Barbary et al.)

Die Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ist ein Projekt zur Durchmusterung des Himmels und dient als Datenbank der Spektren der verschiedensten Objekte im Universum. Daran beteiligt sind die USA, Japan, Korea und Deutschland, ins Leben gerufen wurde es von der Alfred P. Sloan Foundation. In einer einzelnen Nacht werden im Rahmen der SDSS bis zu 200 Gigabyte an Daten gewonnen und in einer großen Datenbank gespeichert. Diese umfasst die verschiedensten Sternspektren, Daten über Braune Zwerge und Asteroiden und exotischere Erscheinungen wie Supernovae und Gravitationslinsen. Stoßen nun Astronomen bei ihrer Arbeit auf ein für sie unerklärliches Objekt, brauchen sie nur dessen Spektrum mit der SDSS abzugleichen, um seine Natur zu erkunden.

Dergleichen versuchte kürzlich ein Forscherteam um Kyle Barbary von der University of California. Am 21. Februar 2006 hatte das Hubble-Teleskop im Rahmen des Cluster Supernova Survey – einer Himmelsdurchmusterung nach Sternexplosionen – eine Erscheinung im Sternbild Bärenhüter bzw. Bootes beobachtet. Es kam zum Aufleuchten eines bisher unbekannten Objekts, das etwa 100 Tage bis zur maximalen Helligkeit benötigte. Schließlich erreichte es Magnitude 21, ein Vielfaches seiner ursprünglichen Helligkeit, denn bisher hatte man es überhaupt nicht von der Erde aus wahrgenommen. Das Aufleuchten beschränkte sich auf zwei Farben im Nahinfrarot-Bereich.

Die Wissenschaftler schreiben in ihrer demnächst im Astrophysical Journal veröffentlichten Arbeit zu ihrer Ausgangssituation: „Der Anstieg der Helligkeit über etwa 100 Tage schien inkonsistent zu allen bisher beobachteten Supernova-Typen und auch seine spektroskopischen Eigenschaften konnten nicht mit bekannten Erscheinungen erklärt werden.“

Kyle und sein Team versuchten daraufhin, den Ursprung des Objekts mit Hilfe unseres Wissens über stellare Ereignisse zu erklären. So verglichen sie die Charakteristik der von Hubble aufgezeichneten Lichtkurve mit der umfassenden Datenbank der SDSS – ohne Erfolg. Auch der Versuch, die Position der Erscheinung einer bekannten Galaxie zuzuordnen, misslang.

Eine Abstandsbestimmung stellte sich ebenso als schwieriges Unterfangen heraus. So wurde versucht während der Leuchtzeit – erfolglos – fotometrisch eine Bewegung festzustellen. Hätte es sich in dieser Zeit gegenüber anderen Fixsternen bewegt, wäre es weniger als 130 Lichtjahre von uns entfernt und eine Parallaxenmessung wäre möglich gewesen. Absorptionslinien von kosmischem Wasserstoff können ebenfalls ein Anhaltspunkt für die Entfernung sein. Ihr Fehlen deuten die Forscher damit, dass das Objekt nicht weiter als 11 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt ist.

Zuletzt überprüfte Barbarys Team die nicht auszuschließende Möglichkeit einer Gravitationslinse: Eine Galaxie mit großer Masse bewegt sich zwischen ein weit entferntes Objekt geringer Leuchtkraft und die Erde. Die Gravitation bewirkt eine „Bündelung“ der ankommenden Strahlung und das Objekt, das zuvor kaum zu sehen war, erscheint nun mit einem Vielfachen seiner normalen Leuchtkraft. Jedoch mussten die Forscher auch diese Möglichkeit verwerfen.

Zusammenfassend stellen Barbary und sein Team fest, dass sie die Erscheinung mit keinem bekannten Phänomen vergleichen können: Es befindet sich in keiner bekannten Galaxie, ist kein bekannter Typ einer Supernova und wurde uns auch nicht durch den Gravitationslinseneffekt kurzfristig vergrößert. Zudem befindet sich das Objekt in einer Entfernung zwischen 11 Milliarden und 130 Lichtjahren zu uns, was definitiv keine ausreichende Einschränkung darstellt. So ist die Hauptaussage der Veröffentlichung durchaus berechtigt, wonach so eine Leuchterscheinung wohl bisher nicht gesehen wurde und in Zukunft als eigenständige Objektklasse geführt werden muss.

Rosetta: Wir sind sehr ambitioniert

6. September 2008

Rosetta flog auf dem Weg zu seinem Zielkometen am 5. September 2008 am Asteroiden Šteins vorbei. Karl Urban sprach mit Gerhard Schwehm, Projektwissenschaftler für die Mission Rosetta und Head of Planetary Science der ESA über den ersten großen Tag der wissenschaftlichen Arbeit der Sonde und die Ambitionen der ESA.

Gerhard Schwehm (ESA)

Gerhard Schwehm (ESA)

Raumfahrer.net: Herr Schwehm, Rosetta steht kurz vor dem Vorbeiflug an Šteins. Sind Sie aufgeregt?

Gerhard Schwehm: Wir sind vor allem gespannt. Dies ist das erste wirklich wissenschaftliche Ereignis, das wir auf dieser Mission haben und es sollte alles funktionieren. Alles was wir bisher gemacht haben, war das Testen der Instrumente. Der Asteroidenvorbeiflug ist nun das erste wirklich wissenschaftliche Ziel der Mission und wir äußerst zuversichtlich, denn bisher ist alles im grünen Bereich.

RN: Warum möchte die ESA überhaupt zu toten Gesteinsbrocken fliegen?

GS: Tote Brocken können uns sagen, was vor langer Zeit im Sonnensystem passiert ist. Wir können mehr erfahren über eine Zeit, in der die Bildung der Planeten mehr oder weniger zum Abschluss gekommen ist. Das Hauptziel von Rosetta ist ein Komet, das in meinen Augen eines der primitivsten Objekte ist. Heute besuchen wir mit dem Asteroiden Šteins eine andere Objektklasse, die ursprünglich schon einmal zu einem größeren Brocken akkretiert war. Sie können uns mit ihrer chemischen Zusammensetzung Auskunft geben über die herrschenden Bedingungen während der Entstehung der Planeten. Beim Vorbeiflug an Šteins hoffen wir vor allen Dingen, Informationen über das Material sammeln zu können. Denn darüber können wir auch mehr über die Bildungstemperaturen lernen. Šteins gehört zur seltsamen Gruppe der E-Typ-Asteroiden, die aus sehr eisenarmem Silikatgestein bestehen. Dies weist auf eine Entstehung unter sehr hohen Temperaturen hin. Die Zusammensetzung des Materials weist zudem darauf hin, dass der Asteroid früher Teil des Mantels eines größeren Brockens …

RN: … vergleichbar mit der Erde …

GS: gewesen ist, wenn vielleicht auch nicht ganz so groß.

Als wir Šteins ausgewählt haben, dachten wir, es handele sich um einen ganz normalen Asteroid. Durch die bessere Beobachtungen, die natürlich immer eine Folge sind, wenn man ein solches Objekt als Ziel vorgibt, kam die Klassifizierung eines eher seltenen E-Typ-Asteroids heraus. Nun haben wir ein sehr gutes Infrarot-Spektrometer an Bord. Wenn wir uns also die Spektrallinien genauer ansehen, können wir herausfinden, welche Mineralien sich an der Oberfläche befinden.

Was ebenfalls immer sehr spannend ist, ist die Größe des Objekts. Wenn wir ihn von der Erde aus beobachten, haben wir immer eine gewisse Vorstellung von der Albedo [der Rückstrahlfähigkeit, d.Red.], die gekoppelt ist mit dem Radius. Wenn wir nun den Asteroiden direkt sehen, werden wir wissen, ob die geschätzte Größe wirklich stimmt oder völlig falsch war. Dies ist auch für die erdgebundener Beobachtung anderer Asteroiden wichtig.

RN: Wie ist der genaue Ablauf der Annäherung an Šteins?

Rosetta wird die Bahn von Šteins kreuzen und im kleinsten Abstand von 800 Kilometern auf dessen Sonnenseite an ihm vorbeifliegen. Unser Manöver ist vergleichbar mit einer Autofahrt, auf der man eine Burg sieht. Zuerst sieht man sie von vorn, wenn man aber direkt daran vorbeifährt, muss man den Kopf drehen, um sie weiter sehen zu können. Da alle Instrumente fest auf Rosetta montiert sind, müssen wir die Sonde drehen, wie wir unseren Kopf drehen. So können wir den Asteroiden aus allen Richtungen sehen und erhalten ein Bild vom gesamten Körper.

Physikalisch interessiert uns die Phasenfunktion, wie also die Reflexion abhängig ist vom Winkel des einfallenden Lichts. Auch das können wir mit dem Manöver erreichen. Dabei kommen wir auch am Punkt mit dem Phasenwinkel null vorbei, an dem Rosetta die Sonne direkt im Rücken hat. Der minimale Abstand von 800 Kilometern ist für die Instrumente das absolute Minimum beim Vorbeiflug. Wenn wir noch dichter heran gehen würden, könnte sich die Sonde nicht mehr schnell genug drehen.

Einer meiner Kollegen, der schon bei der Giotto-Mission [zum Kometen Halley im Jahr 1986, d.Red.] mit dabei war, sagte damals, wir müssten mit allen damaligen Ungenauigkeiten der Bahnparameter einfach auf den Kometen zielen, um möglichst dicht an ihm vorbeizufliegen. Wenn wir das heute machen würden, würden wir mit großer Wahrscheinlichkeit mit dem Asteroiden kollidieren. Damals war die Wahrscheinlichkeit dafür nur sehr gering, heute können wir tatsächlich so genau navigieren. Das ist vor allem auf die optische Navigation zurückzuführen.

RN: Wie würden Sie Rosetta mit anderen internationalen Missionen wie DAWN oder Hayabusa vergleichen?

GS: Gemessen an den Ambitionen ist Rosetta natürlich ein viel komplexeres Projekt. Zum einen haben wir mehr Instrumente an Bord und wollen sogar einen Lander auf dem Kometen absetzen, um seine Zusammensetzung genaustens zu untersuchen. Um die Sublimation an der Oberfläche abhängig vom Abstand zur Sonne zu verfolgen, müssen wir den Kometen dazu auch auf seiner Bahn verfolgen. Damit begeben wir uns in jedem Fall ins Neuland.

DAWN hat zwar ähnliche Instrumente an Bord wie wir, insgesamt aber nur vier. Die Mission untersucht zwei Asteroiden. Was Rosetta heute mit einem Vorbeiflug macht, wird DAWN über längere Zeiträume aus einer Umlaufbahn um die Körper tun.

Hayabusa war eher eine Technologiemission, die zu einem Asteroiden fliegen sollte, um hier eine Probe zu nehmen. Was sie mit zur Erde zurückbringt wird, interessiert mich auch. Die Sonde hat uns wunderbare Bilder aus nächster Nähe eines Asteroiden gebracht, die sich völlig von denen unterschieden, die uns die NEAR-Mission von Eros übermittelte.

Letztlich wollen aber alle Missionen unser Gesamtwissen vergrößern. Mit jedem Objekt, das wir besuchen, können wir viel lernen. Die eine Mission kostet mehr als die andere und setzt andere Schwerpunkte, aber alle zusammen bringen ein großes Bild. Deshalb kann man nicht sagen, dass wir besser sind.

RN: Wir sind gespannt auf die Ergebnisse, die uns Rosetta noch bringen wird und danken für das Gespräch.

Erdmagnetfeld fördert Sauerstoff-Verlust

3. September 2008

Die Erde verliert ständig einen kleinen Teil ihres atmosphärischen Sauerstoffs. Mit dem Satelliten-Quartett Cluster gelang es nun, den Prozess genauer zu untersuchen. Völlig verstanden ist er aber noch nicht.

Teilchenstrom, der den Polregionen der Erdatmosphäre entstammt (NASA/ESA)

Teilchenstrom, der den Polregionen der Erdatmosphäre entstammt (NASA/ESA)

Die Erde ist einem ständigen Strom geladener Teilchen ausgesetzt, die aus den Tiefen des Alls, vor allem aber von der Sonne stammen. Dass diese nicht bis zu uns vordringen verdanken wir dem dem Magnetfeld, das durch die Rotation des festen inneren Erdkerns im flüssigen äußeren erzeugt wird. Vor dem Weltraumzeitalter glaubten Wissenschaftler, der Teilchenstrom würde regelmäßig wie ein lauer Sommerregen zur Erde gelangen. Wie komplex die Interaktionen in der sogenannten Erdmagnetosphäre aber wirklich sind, beginnt man erst langsam zu begreifen.

Die Ionen aus dem Sonnenwind können auf vielfältige Weise mit der Erde interagieren. Sie werden entlang der Magnetfeldlinien geleitet und können so, bei ausreichender Windstärke, auch in die Atomsphäre eindringen und hier Polarlichter verursachen. Jedoch zeigte sich durch Satellitenbeobachtungen der letzten Jahrzehnte, dass auch Ionen aus der Erdatmosphäre zum Teilchenstrom beitragen, die den erdnahen Raum anreichern und gemeinsam mit Sonnenwindpartikeln den magnetosphärischen Schweif unseres Planeten bilden.

Es besteht besteht jedoch kein Grund zur Beunruhigung, denn gemessen an den Reserven der Erdatmosphäre spielen die Verluste keine Rolle. Jedoch hat die die Entdeckung von ins All gerichteten Teilchenfontänen, die den irdischen Polregionen entstammen, unser Bild von der Atmosphäre stark gewandelt.

Einem Forscherteam um den schwedischen Planetologen Dr. Hans Nilsson vom Schwedischen Institut für Weltraumphysik zufolge wurde der Prozess des Teilchenstroms aus der Erdatmosphäre nun besser verstanden, wie es im geowissenschaftlichen Journal Annales Geophysicae berichtet. Die Wissenschaftler verwendeten Daten, die die Cluster-Flotte zwischen 2001 und 2003 gesammelt hatte.

Bisher waren mehrere Mechanismen vorgeschlagen worden, die für die Beschleunigung der Ionen verantwortlich sein könnten. Aufgrund der komplexen Bedingungen war es bisher nicht möglich gewesen, diese im Labor zu simulieren und Wissenschaftler waren auf die Auswertung satellitengestützter Daten angewiesen. Mit dem Cluster-Quartett war es möglich, dreidimensional aufgelöste Daten zu erhalten. Nilssons Team hat als wichtigsten Prozess beim Herausschleudern irdischer Atmsphärenteilchen die zentrifugale Beschleunigung entlarvt.

„Wir benötigten exakt vier Raumfahrzeuge, um alle Faktoren der Formel abschätzen zu können, welche die zentrifugale Beschleunigung beschreibt. Der Prozess beschleunigter Sauerstoffionen entlang magnetischer Feldlinien an sich ist bereits gut verstanden“, sagte Nilsson.

Wenn sich die Sauerstoffionen parallel zu den Feldlinien des Erdmagnetfelds bewegen, induzieren diese ein elektrisches Feld senkrecht dazu. Dies resultiert in einer Kraft, die wiederum zu beiden Feldern senkrecht steht und die Teilchen unter den richtigen Bedingungen ins All beschleunigen kann. Der Effekt kann deutlich mehr Energie an schwere Ionen der Erdatmosphäre abgeben als an leichtere wie Helium oder Protonen. Dem Team um Hansen gelang es, die veränderte Form der Feldlinien und so den gesamten Prozess indirekt zu beobachten.

Jedoch ist der gesamte Prozess der ausgestoßenen Sauerstoffionen weiterhin das Ziel der Forschung. In der Vergangenheit konnte zwar die Anreicherung im magnetosphärischen Schweif der Erde beschrieben werden, zur zeitlichen und räumlichen Untersuchung der Prozesse war jedoch eine Gruppe von Forschungssatelliten notwendig, die erst mit dem Start der Cluster-Flotte besteht. Zusätzlich erschwert wird die Forschung darin, dass Laborexperimente des Effekts aufgrund der Größenordnung – Luftschichten einer Höhe einiger zehntausend Kilometer – kaum denkbar sind.

Die Mission Cluster besteht aus vier baugleichen Satelliten, die seit ihrem Start im Jahr 2000 die Magnetosphäre des erdnahen Raums untersuchen. An Bord befinden sich auch zwei in Deutschland entwickelte Instrumente. Seit Dezember 2003 wird die Mission durch das chinesisch-europäische Satellitenpaar Double Star unterstützt.