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NASA-Sonde entlarvt unerwartete Strukturen der Heliosphäre: RUB-Astrophysiker mit zwei Arbeiten in Science

16.10.2009
Der Sonnenwind umhüllt unser Sonnensystem wie ein Kokon: Diese kontinuierliche Plasmaströmung, die von der Sonne ausgeht, schützt uns vor dem interstellaren Medium, vor allem vor der kosmischen Strahlung.

Wie die Ränder dieses Kokons beschaffen sind, beschäftigt die Forschung seit langem. Jetzt lieferte die NASA-Sonde IBEX (Interstellar Boundary Explorer) erstmals Messdaten von energiereichen Wasserstoffatomen aus dieser Region und eine Überraschung: Sie deuten auf völlig unerwartete Strukturen im Fluss dieser Teilchen hin.

"Alle Modellierer haben ihre Rechnungen bisher ohne das Magnetfeld des interstellaren Mediums gemacht - niemand hatte dessen starken Einfluss erwartet", begründet PD Dr. Horst Fichtner (Institut für Theoretische Physik IV der RUB). Diese Beobachtungen und neue, verbesserte Modelle des "Kokons" stellt er mit internationalen Kollegen in zwei Beiträgen in Science vor.

Elektronentausch am Rand der Heliosphäre

Die im Oktober letzten Jahres in die Erdumlaufbahn gestartete Sonde IBEX blickt mit neuartigen Detektoren von der Erde weg ins Weltall, wobei sie aufzeichnet, wie viele energiereiche Wasserstoffatome aus jeder Richtung pro Zeiteinheit eintreffen. Nach und nach scannte sie so den gesamten Himmel ab und lieferte die erste vollständige Himmelskarte dieses Teilchenflusses, der Rückschlüsse auf die physikalischen Vorgänge an den äußeren Rändern unseres Sonnensystems zulässt: Am Rand der Heliosphäre - des Plasmakokons - treffen der Sonnenwind und das interstellare Medium aufeinander. Der Sonnenwind besteht u.a. aus schnellen Protonen, das interstellare Medium zu einem großen Teil aus langsamen Wasserstoffatomen. Wenn sie sich sehr nahe kommen, besteht eine bestimmte Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron eines langsamen Wasserstoffatoms zu einem schnellen Proton wechselt. "Dabei tauschen die beiden Teilchen ihre Rollen", erläutert Dr. Fichtner, "das schnelle Proton wird zu einem schnellem Wasserstoffatom und umgekehrt. Das Resultat dieses Tauschs können wir messen."

Rechnung ohne das interstellare Magnetfeld

Die von IBEX aufgrund solcher Messungen erhaltene Karte überraschte die Wissenschaftler allerdings. Sie entsprach nur teilweise den zuvor theoretisch berechneten Mustern, die auf der Annahme beruhten, dass der Fluss der energiereichen Atome im Wesentlichen vom Sonnenwind bestimmt ist. Es zeigte sich stattdessen ein "diagonal" über die Himmelskarte verlaufendes Band starker Intensität, d.h. von verhältnismäßig vielen Tausch-Prozessen zwischen langsamen neutralen und schnellen, geladenen Teilchen. "Inzwischen wissen wir auch, warum", erklärt Horst Fichtner. "Dieses Band passt sich dem Magnetfeld des interstellaren Mediums an. Diese Größe wurde zuvor in den Modellrechnungen vernachlässigt."

Neue Szenarien

Im zweiten Science-Beitrag entwerfen die Forscher nun Szenarien zur Erklärung des entdeckten Sachverhalts. "Wir vermuten, dass die dynamische Rolle des Magnetfelds zu einer Verdichtung der Heliosphäre an ihren Rändern führt", so Fichtner. Das Magnetfeld zwingt praktisch den von der Sonne ausgehenden Plasmastrom zum Bremsen, weswegen sich Teilchen anstauen. Da im Stau die Wahrscheinlichkeit eines "Aufeinanderprallens" größer ist, steigt auch diejenige für einen Elektronenwechsel.

Gespanntes Warten auf weitere Messdaten

"Diese ersten Ergebnisse der IBEX-Mission sind ein Meilenstein auf dem Weg zu einem tieferen Verständnis der Heliosphäre und ihrer galaktischen Umwelt, die nicht zuletzt die Lebensbedingungen auf der Erde mitbestimmen", erläutert Horst Fichtner, dessen Arbeitsgruppe sich seit langem mit der Heliosphäre beschäftigt. Die Erkenntnisse über die Heliosphäre könnten darüber hinaus auf andere Sterne übertragen werden und helfen, die Bedeutung stellarer Astrosphären für Planeten außerhalb unseres Sonnensystems zu verstehen. Die IBEX-Messungen zeigen auch erste Anzeichen für eine zeitliche Variabilität des Flusses der Neutralatome und damit der Struktur der Heliosphäre: "Genau das erwarten wir auch aufgrund unserer Rechnungen als Folge des Sonnenaktivitätszyklus", so Dr. Fichtner. Der Nachweis einer solchen Variation könne allerdings erst mit Messungen über einen längeren Zeitraum gelingen. "Die weiteren Messungen von IBEX, der mindestens zwei, wahrscheinlich aber weitaus mehr Jahre aktiv bleiben wird, erwarten wir also mit Spannung"!

IBEX

IBEX ist die jüngste der kostengünstigen, schnell entwickelten "Small Explorer"-Missionen der NASA. Zusammen mit einem Team von amerikanischen und internationalen Partnern wurde unter der Führung des Southwest Research Institutes in San Antonio, Texas, USA, die Mission entwickelt und durchgeführt. NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, USA, organisiert das Explorer Programm für NASA's Science Mission Directorate in Washington.

Titelaufnahmen

N. A. Schwadron, M. Bzowski, G. B. Crew, M. Gruntman, H. Fahr, H. Fichtner, P. C. Frisch, H. O. Funsten, S. Fuselier, J. Heerikhuisen, V. Izmodenov, H. Kucharek, M. Lee, G. Livadiotis, D. J. McComas, E. Moebius, T. Moore, J. Mukherjee, N. V. Pogorelov, C. Prested, D. Reisenfeld, E. Roelof, and G. P. Zank: Comparison of Interstellar Boundary Explorer Observations with 3-D Global Heliospheric Models. In: Science Express, Published online October 15 2009; 10.1126/science.1180986 (Science Express Reports)

D. J. McComas, F. Allegrini, P. Bochsler, M. Bzowski, E. R. Christian, G. B. Crew, R. DeMajistre, H. Fahr, H. Fichtner, P. C. Frisch, H. O. Funsten, S. A. Fuselier, G. Gloeckler, M. Gruntman, J. Heerikhuisen, V. Izmodenov, P. Janzen, P. Knappenberger, S. Krimigis, H. Kucharek, M. Lee, G. Livadiotis, S. Livi, R. J. MacDowall, D. Mitchell, E. Mobius, T. Moore, N. V. Pogorelov, D. Reisenfeld, E. Roelof, L. Saul, N. A. Schwadron, P. W. Valek, R. Vanderspek, P. Wurz, and G. P. Zank: Global Observations of the Interstellar Interaction from the Interstellar Boundary Explorer (IBEX), In: Science Express, Published online October 15 2009; DOI: 10.1126/science.1180906 (Science Express Reports)

Weitere Informationen

PD Dr. Horst Fichtner, Institut für Theoretische Physik der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-23786, E-Mail: hf@tp4.rub.de

Redaktion: Meike Drießen

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://ibex.swri.edu/ -
http://www.pm.ruhr-uni-bochum.de/pm2009/msg00229.htm

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