Wissenschaftler machen das Beste

May 02, 2023

Forscher haben einen neuen Blick auf die bevorstehende Reise der Zwillingsraumsonde Voyager und anderer Sonden gewonnen, die auf Einwegflügen in den interstellaren Raum unterwegs sind

Wir leben in einer Blase – im wahrsten Sinne des Wortes.

Sie wird Heliosphäre genannt und besteht aus dünnem Plasma, das von der Sonne ausströmt. Dieses ionisierte Gas strömt entlang der von unserem Stern ausgehenden Magnetfeldlinien nach außen und wirbelt in radialen Spiralen auf, die an die Rotation der Sonne gebunden sind. Sich über die Stelle hinauszuwagen, an der dieser Wind angesichts der größeren Plasmaströme, die durch unsere Galaxie strömen, nachlässt, bedeutet im wahrsten Sinne des Wortes, unser Sonnensystem hinter sich zu lassen.

Doch obwohl die Heliosphäre seit den späten 1950er Jahren bekannt und erforscht ist, sind ihre verschwommenen Grenzen erst vor relativ kurzer Zeit ans Licht gekommen – mit einer überraschenden Entdeckung. Vor etwas mehr als einem Jahrzehnt sendete Voyager 1 der NASA Daten zurück, die darauf hindeuteten, dass es endlich die Heliosphäre verlassen hatte, um in den interstellaren Raum einzudringen. Aber eine Messung entsprach nicht den Erwartungen: Das spiralförmige Magnetfeld richtete sich nicht so aus, wie es sollte, wenn das Raumschiff tatsächlich überquert hätte.

„Rückblickend ergab es Sinn, dass es eine Übergangsregion geben sollte, in der sich das interstellare Magnetfeld bündelt und an die Heliosphäre angrenzt“, sagt Jamie Rankin, stellvertretender Projektwissenschaftler für die Voyager-Mission und Weltraumphysiker an der Princeton University.

Dieser „Drapier“-Effekt ähnelt der Art und Weise, wie sich fließendes Wasser um den Bug eines Schiffes und entlang seiner Flanken nach hinten staut. Und genau wie dieser kräuselnde Kielwasserumriss die Umrisse eines Schiffs erkennen lässt, kann die Biegung interstellarer Magnetfelder um die Heliosphäre, während sich unser Stern durch die Milchstraße bewegt, wichtige Hinweise auf die Größe und Form der blasenartigen Grenze zwischen unserem Sonnensystem und dem Rest unseres Sonnensystems liefern die Galaxie. Aber wie genau diese Drapierung aussieht und wie sie in das unberührte interstellare Medium übergeht, blieben offene Fragen – zumindest bis jetzt.

In einer kürzlich in den Astrophysical Journal Letters veröffentlichten Studie zeichnen Rankin und ihr Forscherteam das erste klare Bild der drapierten Region, indem sie unabhängige Messungen der beiden Voyager-Sonden und ein Modell der Heliosphäre-Interstellar-Grenze zusammenführen, das von der Interstellaren Grenze der NASA stammt Explorer (IBEX), ein erdumlaufender Satellit, der 2008 gestartet wurde.

Die Stärke der Voyager besteht darin, dass sie Magnetfelder direkt messen und wie sich diese Felder mit der Entfernung verändern, wenn sich die Raumsonde weiter von der Sonne entfernt. Aber die Voyager nehmen das Feld nur entlang ihrer Flugbahnen wahr und bieten so einen blinden Blick auf die sich entwickelnden Grenzen der Blase. IBEX hingegen bietet einen Überblick über das Gesamtbild, indem es die energiereichen Schauer von Atomen erfasst, die durch Kollisionen zwischen Sonnenwindteilchen und Teilchen des interstellaren Mediums an der Grenze der Heliosphäre entstehen. Diese Daten liefern eine Fernansicht der Blasenoberfläche über den gesamten Himmel, jedoch ohne entscheidende relative Entfernungsmessungen.

Das Problem ist, dass diese beiden Datensätze nicht übereinstimmen. Auf ihren ausgehenden Flugbahnen messen beide Voyager nun lokal Magnetfelder, die stärker sind als die Werte – und schief von diesen –, die aus IBEXs entfernten Beobachtungen des gesamten Himmels des weiter entfernten undrapierten Magnetfelds extrapoliert wurden. Die Ergebnisse so unterschiedlicher Missionen in Einklang zu bringen, ist ein bisschen so, als würde man versuchen, zwei Puzzleteile zusammenzusetzen. „Es gab viele Diskussionen darüber, warum die Voyager-Daten nicht mit IBEX übereinstimmen“, sagt Katia Ferrière, eine Astrophysikerin an der Universität Toulouse in Frankreich, die nicht an der Studie beteiligt war.

In der Arbeit zeigen die Forscher, wie das IBEX-Modell und die Messungen der Voyagers tatsächlich eine konsistente Geschichte erzählen. Entlang der Flugbahn von Voyager 1 zeigen die Ergebnisse, dass die Feldstärke und -richtung – d das von IBEX vorhergesagte „undrapierte“ interstellare Magnetfeld. Anhand der Daten von Voyager 2 zeigt die Analyse, dass dieses Raumschiff doppelt so weit hinausfliegen muss wie sein Zwilling, um den aufgetürmten Magnetfeldern des Heliosphärenübergangs zu entkommen – eine Reise von etwa 120 Jahren.

„[Diese Ergebnisse] zeichnen ein vollständiges Bild“, sagt Ferrière – wenn auch eines, das zukünftige Missionen noch ergänzen könnten.

Zu diesem Zweck plant die NASA für 2025 den Start einer Art Nachfolger von IBEX: der Interstellar Mapping and Acceleration Probe (IMAP). IMAP wird noch höher aufgelöste Karten der globalen Struktur der Heliosphäre erstellen und sich mit den laufenden Voyager-Messungen überschneiden, die Forscher hoffen, dass sie im nächsten Jahrzehnt fortgesetzt werden, obwohl beide Voyager gefährlich wenig Energie haben.

„Die Kombination dieser Messungen wird das beste Verständnis der Wechselwirkung der Heliosphäre mit dem lokalen interstellaren Medium liefern“, sagt Studienmitautor David McComas, Weltraumphysiker an der Princeton University und Hauptforscher der IBEX- und IMAP-Missionen.

Eine zukünftige interstellare Mission, die dort fortgesetzt wird, wo Voyager 1 und 2 aufgehört haben, könnte auch die komplexe Form der Heliosphäre weiter klären.

„Das Aussenden einer Raumsonde an der Seite könnte eine gute Perspektive darauf liefern, wie diese Blase in der Richtung des lokalen Windes und auf der gegenüberliegenden Seite aussieht, wo von einer schwanzähnlichen Konfiguration die Rede ist“, sagt Ralph McNutt, Jr., Hauptforscher für die Konzeptstudie der Interstellar Probe-Mission und Weltraumphysiker am Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University.

Und die Ergebnisse der Studie von Rankin und ihrem Team deuten darauf hin, dass sich die Magnetfelder in Richtung der Backbordflanke der Heliosphäre weniger häufen, was bedeutet, dass eine Sonde, die diese Übergangsregion durchquert, im Gegensatz zu den dickeren Drapierungen auf der anderen Seite, schneller Zugang zu unberührtem Interstellar haben könnte Raum.

Die Gewinnung von Proben des ungestörten interstellaren Magnetfelds könnte auch dazu beitragen, die Verteilung und Form der interstellaren Gas- und Staubwolken zu kartieren, die unser Sonnensystem umgeben, wie beispielsweise die lokale interstellare Wolke (LIC), die die Heliosphäre derzeit durchquert. Interstellare Wolken können bei ihrer Bewegung auch umgebende Magnetfelder ausdehnen und verdrehen.

„Die allgemeine Form der Heliosphäre wird durch ihre Bewegung durch den LIC bestimmt, aber ihre genaue Form hängt auch von den umgebenden Magnetfeldern ab“, sagt Ferrière.

Obwohl es noch viel zu tun gibt, um unsere Blase und ihre Umgebung zu kartieren, zeigt die Studie von Rankin und ihrem Team, wie leistungsfähig die Kombination entfernter Satelliten- und In-situ-Raumfahrzeugmessungen ist.

„Bei dieser Studie geht es darum, das, was wir gemessen haben, zu verknüpfen, um ein Gesamtbild davon zu erhalten, wie unser Platz in der Galaxie aussieht“, sagt Rankin.

Theo Nicitopoulosist ein freiberuflicher Autor, der über Neuigkeiten aus der Erd- und Weltraumwissenschaft berichtet.

Lee Billings

Tim Folger

Jonathan O'Callaghan