NASA-Team fliegt den ersten Koronarabschnitt, um die Entstehung des Sonnenwindes zu bestimmen.

Eine Beobachtungstechnik, die erstmals vor mehr als vier Jahrzehnten zur Messung der physikalischen Parameter der Korona vorgeschlagen wurde, die die Bildung des Sonnenwindes bestimmen – die Quelle von Störungen in der oberen Erdatmosphäre – wird im nächsten Jahr erstmals demonstriert. Diese Parameter sind die Dichte, Temperatur und Geschwindigkeit der Elektronen in der Korona.

Nat Gopalswamy und Jeff Newmark, Heliophysiker im Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, planen, BITSE-Kurzfilm für die ballongetragene Untersuchung von Temperatur und Geschwindigkeit von Elektronen in der Korona an Bord eines hochgelegenen wissenschaftlichen Ballons aus Ft. Sumner, New Mexico, im nächsten Herbst zu zeigen.

Eine neue Art von Koronarabsatz

Das wissenschaftliche Instrument der BITSE-Mission, zu dem auch das Korea Astronomy and Space Science Institute gehört, ist ein Koronarabsatz. Diese Geräte blockieren die helle Oberfläche der Sonne, um ihre schwache, aber sehr heiße obere Atmosphäre, die Korona, zu enthüllen.

Der BITSE-Koronagraph hat jedoch Merkmale hinzugefügt, die einige sehr wichtige Eigenschaften des Sonnenwindes messen können, der sich bis zu einer Million Meilen pro Stunde bewegen kann, wenn er von der Sonne mit geladenen Teilchen oder Plasma und eingebetteten Magnetfeldern nach außen über das Sonnensystem fließt. Obwohl Wissenschaftler wissen, dass der Sonnenwind seinen Ursprung in der Korona hat, wissen sie nicht genau, wie er entsteht oder beschleunigt.

„Dieser Flug wird das erste Mal sein, dass wir einen Koronarabschnitt fliegen, um die Dichte, Temperatur und Geschwindigkeit von Elektronen in der Korona zu bestimmen. Kein Koronagraph hat dies jemals zuvor getan“, sagte Gopalswamy, der die Finanzierung des internen Forschungs- und Entwicklungsprogramms von Goddard nutzte, um BITSE voranzubringen. Ihm zufolge maßen zuvor geflogene Koronarabschnitte nur die Dichte der Elektronen in der Korona der Sonne. „Wir brauchen alle drei physikalischen Eigenschaften, um zu verstehen, wie sich der Sonnenwind bildet“, sagte er.

Diese Frage ist für Wissenschaftler von besonderer Bedeutung. Das Verständnis der Quelle des Sonnenwindes, der bestimmt, wie sich weltraumwetterverursachende koronale Massenauswürfe oder CMEs zwischen Sonne und Erde ausbreiten, kann dazu beitragen, die Weltraum-Wettervorhersage zu verbessern, insbesondere in der erdnahen Umgebung, wo Veränderungen manchmal die Funkverbindung oder das GPS stören können. Bei besonders starken geomagnetischen Stürmen, die durch die Freisetzung von Tonnen geladener Partikel während einer CME ausgelöst werden, können die Partikel des Sonnenwindes entlang von Magnetfeldern durch die schützende Magnetosphäre der Erde auf die Oberfläche fließen, wo sie Stromnetze und Elektronik stören können.

Während seines Aufenthalts 25 Meilen über der Erdoberfläche wird BITSE bis zu 10 Stunden damit verbringen, die Korona der Sonne abzubilden. Neben einem Okkulter, der das Licht von der Sonnenoberfläche blockiert – so wie der Mond das helle Licht während einer Sonnenfinsternis blockiert – verfügt BITSE über zwei weitere wichtige Technologien.

Das Filterrad blockiert alle Wellenlängen des sichtbaren Lichts, außer denen in vier spezifischen Bändern im violetten Bereich – 3850, 3987, 4100 und 4233 Angström. Und die Kamera, die als Detektor von BITSE dient, ist in der Lage, polarisiertes Licht direkt zu erfassen, also Licht, bei dem die elektrischen und magnetischen Felder in bestimmte Richtungen schwingen. Wissenschaftler benötigen das polarisierte Licht, um die Elektroneneigenschaften abzuleiten. Da die Kamera polarisiertes Licht aufnehmen kann, benötigt BITSE keinen zusätzlichen Mechanismus, um die gleiche Aufgabe zu erfüllen wie herkömmliche Detektoren.

Zusammen werden diese Nutzlastkomponenten es dem Team ermöglichen, eine Beobachtungstechnik namens Passband Ratio Imaging durchzuführen – ein Ansatz, der ursprünglich 1976 vorgeschlagen wurde. Diese Technik bestimmt die Elektronentemperatur und -geschwindigkeit sowie die Dichteinformationen, die die Koronabriken traditionell sammeln.

Es funktioniert so: „Das sichtbare Licht, das wir sehen, ist eigentlich Licht von der Scheibe der Sonne, das von den Elektronen im Sonnenwind gestreut wird“, erklärte Newmark. „Diese Streuung schmiert das Licht aus der Scheibe, die eigentlich aus vielen einzelnen Spektrallinien oder Wellenlängen besteht. Wenn wir die richtigen Wellenlängen wählen, dann sagt uns die Menge des Schmierens, welche Temperatur und Geschwindigkeit die Elektronen aufweisen müssen, um das Licht auf diese Weise zu schmieren.“

„Jeder kann ein Filterrad herstellen, das auf vier einzelne sichtbare Wellenlängen abgestimmt ist, aber wir haben diese Technologie entwickelt, damit unser Instrument das tut, was wir wollen. Es ist cool. Es ist das erste Mal, dass wir das tun“, fügte Newmark hinzu.

Das Team plant, das vollwertige BITSE-System im Frühjahr 2019 in der Vakuumtankanlage des National Center for Atmospheric Research in Boulder, Colorado, zu testen. Gopalswamy montierte jedoch die Polarisationskamera auf einem Teleskop und erhielt 50 Bilder in allen vier Filtern während der totalen Sonnenfinsternis im August 2017.

ISS Instrument gesucht

Die Feldkampagne zur Darstellung der Sonnenfinsternis bewies die Arbeit der BITSE-Kamera- und Filtertechnik, aber der Ballonflug ist entscheidend für die Validierung des Systems in einer raumnahen Umgebung, in der Gopalswamy und Newmark hoffen, mindestens acht Stunden Daten zu sammeln, was Gopalswamy mit der Beobachtung von 150 Sonnenfinsternissen vergleichbar ist.

Das Team hofft jedoch, dass die Ballonmission nicht das letzte Hurra für den Koronarabsatz sein wird. „Wir wollen wirklich eine Version dieses Instruments auf die Internationale Raumstation bringen“, sagte Newmark. Der methodische Ansatz des Teams, von der ersten Feldkampagne zur Beobachtung der Sonnenfinsternis 2017 bis zum Ballonkampf 2019, ebnet den Weg für eine längerfristige Mission im erdnahen Orbit, sagte Newmark.

„Wir können das Instrument für sechs Monate auf der Station fliegen“, fügte Gopalswamy hinzu. „Buchstäblich gehen wir von Minuten über Stunden bis hin zu Monaten, um diese dringend benötigten Sonnenwindparameter zu sammeln, die in unsere Weltraum-Wetter-Modelle einfließen werden.“

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