• 19.03.2020
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Fachhochschule Nordwestschweiz erforscht Astroteilchen der Sonne

Das Rätsel der Sonneneruptionen

Die Physikerin Dr. Marina Battaglia ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am FHNW-Institut für Data Science und arbeitet am STIX-Projekt mit.
Bild: B. Vogel, CHIPP, Switzerland
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Die Physikerin Dr. Marina Battaglia ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am FHNW-Institut für Data Science und arbeitet am STIX-Projekt mit.
Die Physikerin Dr. Marina Battaglia ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am FHNW-Institut für Data Science und arbeitet am STIX-Projekt mit. (Bild: B. Vogel, CHIPP, Switzerland)

Rund zehn Jahre haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) am Röntgenteleskop STIX (kurz für: Spectrometer / Telescope for Imaging X-rays) gebaut. Seit dem 10. Februar ist das Forschungsgerät nun mit einer Raumsonde auf der Reise zur Sonne. Es soll mithelfen, genaue Messungen der Sonnenatmosphäre sowie des Sonnenwindes zu liefern und dabei auch die von der Erde aus nicht beobachtbaren Polarregionen der Sonne abzudecken.

Der 24. März 2020 ist der Tag, auf den Marina Battaglia und ihre Forschungskollegen und -kolleginnen hinfiebern. Für viele Menschen ist das ein ganz gewöhnlicher Dienstag im Frühling, für die Wissenschaftlerin der FHNW hingegen der Tag, der über Sein und Nichtsein entscheidet. Am 24. März wird das Röntgenteleskop STIX während seiner dreieinhalbjährigen Reise zum geplanten Orbit um die Sonne erstmals eingeschaltet. Dann wird sich zeigen, ob sich die zehn Jahre Vorbereitung wirklich gelohnt haben: Funktioniert STIX wie geplant? Kann das Teleskop Daten aufzeichnen und auf die Erde funken? Und wenn all dies gelingt: Zeigen diese Daten vielleicht schon Ereignisse aus der Atmosphäre (Korona) der Sonne?

Auf dem Weg in die solare Umlaufbahn

Bisher läuft bei der Raummission alles wie am Schnürchen. Am 10. Februar um 5:03 Uhr morgens (Schweizer Zeit) brachte eine Atlas-V-Trägerrakete die Raumsonde ‘Solar Orbiter’ vom US-amerikanischen Weltraumbahnhof Cape Canaveral ins All. Marina Battaglia und ihre Kollegen beobachteten den Start am FHNW-Standort Windisch im Livestream. “Der Start erfolgte ganz plötzlich, und schon war das Ding oben”, erzählt Marina Battaglia, die an der ETH in Physik promoviert hat und heute an der FHNW als wissenschaftliche Mitarbeiterin arbeitet. Erst die Zündung der zweiten Raketenstufe, dann Abtrennen der Raumsonde, Herstellung des Funkkontaktes, Ausfahren der Sonnensegel – alles klappte nach Plan. Seither ist der Solar Orbiter auf dem Weg zur Sonne. Im November 2021 soll die Raumsonde ihr Ziel erreichen: eine stark elliptische Umlaufbahn, die an ihrem zur Sonne nächsten Ort 45 Millionen Kilometer von unserem Zentralgestirn entfernt ist, was etwa einem Viertel des Abstands zwischen Erde und Sonne entspricht und innerhalb der Merkurbahn liegt.

Jetzt steht Marina Battaglia in den Räumen des ‘Instituts für Data Science’ im zweiten Stock des FHNW-Neubaus direkt beim Bahnhof Brugg. Die Wissenschaftlerin blickt in eine Vitrine, in der eine Kopie des Röntgenteleskops STIX im Massstab 1 zu 1 aufgebaut ist. STIX ist eines von zehn Experimenten, die mit dem Solar Orbiter zur Sonne unterwegs sind. Jedes Experiment führt unterschiedliche Messungen durch. Doch alle Instrumente verfolgen ein übergeordnetes Ziel: die sogenannten Sonneneruptionen zu verstehen, also jene gewaltigen Ströme aus neutralen und geladenen Teilchen (Photonen, Elektronen, Protonen und auch schwere Ionen), welche die Sonne im Zuge von gewaltigen Auswürfen ins Weltall abstrahlt – beschleunigt durch ein kräftiges Magnetfeld.

Mittels Röntgenstrahlung Elektronen beobachten

Das Röntgenteleskop STIX wurde dazu gebaut, um die Intensität, den Zeitpunkt und die Richtung von Photonen in einem Röntgenbereich von 4 bis 150 keV zu messen. Diese Photonen stammen von Elektronen, die in der Korona stark beschleunigt und abgebremst werden (Bremsstrahlung). “Wir betreiben Teilchenphysik in der Korona der Sonne, um die Sonneneruptionen zu verstehen, indem wir mithilfe der Röntgenstrahlung untersuchen, wo die Elektronen beschleunigt werden und wie sie sich ausbreiten”, sagt Marina Battaglia zu ihrem Forschungsgebiet.

Das Röntgenteleskop STIX widmet sich also den grossen offenen Fragen der Sonnenphysik. Wenn man das Teleskop dann in der Vitrine der FHNW sieht, ist man fast überrascht, wie klein es ist: Der eigentliche Detektor zur Messung der Röntgenstrahlung einschliesslich der Elektronik für Steuerung und Datenübermittlung ist gerade einmal so gross wie ein Schuhkarton. Hinzu kommen in geringem Abstand zwei Blenden, durch die die Röntgenstrahlung auf den Detektor fällt. Jede Blende enthält 32 wenige Quadratzentimeter grosse Gitter. Diese Gitter lassen sich vergleichen mit dem Linsensystem eines Fotoapparats: Dank ihnen kann STIX die Quelle der Röntgenstrahlung indirekt fotografieren und somit Informationen über Position und Grösse der Röntgenquelle gewinnen. Fachleute kennen das Verfahren unter der Bezeichnung ‘Fourier-Imaging’.

Auf RHESSI folgt STIX

Wie andere Versuche der Teilchenphysik baut auch STIX auf früheren Experimenten auf. Der Vorgänger von STIX war RHESSI (kurz für: Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager). Dieses Weltraumteleskop der NASA wurde 16 Jahre lang zur Beobachtung der solaren Röntgenstrahlung eingesetzt, bevor es 2018 ausser Dienst ging. “Das Paul Scherrer Institut war stark an RHESSI beteiligt, und RHESSI war somit auch eine Schweizer Mission“, sagt FHNW-Professor Säm Krucker. Der Astrophysiker hatte bereits die RHESSI-Mission begleitet und ist der Vater von STIX: Zusammen mit einer 12-köpfigen Forschungsgruppe des ‘Instituts für Data Science’ und des ‘Instituts für Produkt- und Produktionsengineering’ (Prof. Hans-Peter Gröbelbauer) der FHNW sowie der Schweizer Industrie und internationalen Partnern hat er die STIX-Komponenten entworfen und gebaut, die später am Paul Scherrer Institut (Villigen/AG) und an der Universität Bern getestet wurden, bevor sie 2017 ins Airbus-Werk nach Stevenage (GB) gebracht und in den ‘Solar Orbiter’ eingebaut wurden.

STIX und die weiteren Experimente auf dem Solar Orbiter werden voraussichtlich während sieben Jahren Daten aus der Korona der Sonne aufzeichnen. Neben einem besseren Verständnis der Sonneneruptionen wird die wissenschaftliche Raumfahrtmission möglicherweise auch Antworten zu einer der ganz grossen ungelösten Fragen der Sonnenphysik liefern, die im Englischen das 'Coronal Heating Problem' genannt wird. Gemeint ist die bisher nicht erklärbare Beobachtung, dass in der Korona der Sonne rund eine Million Grad Celsius herrschen, während die Oberfläche nur gerade 6000 Grad heiss ist. «Eine mögliche Erklärung könnte sein, dass die grosse Anzahl an kleinsten ‹solar flares› in der Korona wie gewaltige Heizungen wirken und die Atmosphäre der Sonne auf diese extrem hohen Temperaturen aufheizen. Die Umsetzung von magnetischer Energie ist der Ursprung der Heizung, aber welcher physikalische Prozess dies am effizientesten macht, wissen wir noch nicht», sagt Säm Krucker. «Es wäre ein riesiger wissenschaftlicher Erfolg, wenn diese Hypothese durch die STIX-Mission bestätigt werden könnte.»

Weitere Informationen: https://stix.i4ds.net and https://sci.esa.int/web/solar-orbiter/home

Autor: Benedikt Vogel

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ESA's Solar Orbiter mission to observe the Sun
  • 13.01.2020
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Start von Solar Orbiter mit Schweizer STIX Instrument

Solar Orbiter ist eine Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) zur Beobachtung unseres nächsten Sterns, der Sonne. Der Start vom Cape Canaveral, USA, ist nun für den Morgen des 10. Februar 2020 (MEZ) vorgesehen. Das Spektrometer / Teleskop für abbildende Röntgenstrahlung (STIX) ist eines der 10 Instrumente an Bord und wurde in der Schweiz von der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) entwickelt.
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