Erster Blick auf den Pol der Sonne

Bisher konnten Astronomen unsere Sonne nur von der Seite aus beobachten und untersuchen, denn die Erde, alle Planeten und auch alle bisherigen Sonnensonden bewegen sich auf Höhe des solaren Äquators. Doch jetzt hat die europäische Raumsonde „Solar Orbiter“ erstmals einen Blick auf den Südpol der Sonne erhalten und die ersten Aufnahmen und Daten eines solaren Pols erstellt. Dies gelang, weil die Raumsonde auf einem 17 Grad gegen die Ekliptik geneigten Orbit um die Sonne kreist. Schon die ersten zur Erde übermittelten Daten des Solar Orbiter bieten ganz neue Einblicke in die Plasmabewegungen und die Magnetfelder am Südpol der Sonne. Bis zum Herbst 2025 wird die Raumsonde ihre Sicht auf den Sonnenpol weiter verbessern und weitere Daten liefern.

Obwohl unsere Sonne der uns nächste und bestuntersuchte Stern ist, bleiben noch viele Fragen offen. So ist noch immer unklar, wo und wie genau der Sonnenwind und das solare Magnetfeld entstehen. Auch die Veränderungen im Laufe eines Sonnenzyklus sind erst in Teilen untersucht. Denn bisherige Sonnenobservatorien auf der Erde und im All hatten ein entscheidendes Manko: Sie alle sehen unseren Stern nur von der Seite, denn die Erde und fast alle Raumsonden umkreisen die Sonne auf der äquatorialen Ebene. Jedes Bild, das jemals von der Sonne gemacht wurde, wurde daher aus dieser Perspektive aufgenommen. Wie die Pole der Sonne aussehen, wie sie sich im Laufe der Zeit verändern und wie dort die Magnetfelder und Plasmaströmungen strukturiert sind, blieb so verborgen. Astronomen konnten die Prozesse an den solaren Polen bisher nur über Modellsimulationen nachvollziehen.

Solarer Südpol im Blick

Um dies zu ändern, hatte die Europäische Weltraumorganisation ESA im Februar 2020 ihre Sonnensonde „Solar Orbiter“ auf die Reise geschickt. Sie holte zunächst Schwung an Erde und Venus und näherte sich dann der Sonne bis Anfang 2021 immer weiter an. Anschließend schwenkte die Raumsonde in elliptische, immer stärker polwärts geneigte Orbits ein. Am 16. März 2025 hat der Solar Orbiter dabei erstmals eine Bahnneigung erreicht, durch die er einen ersten Blick auf den Südpol der Sonne erhaschen konnte. Die dabei aus einem Winkel von 15 Grad gegenüber der Ekliptik erstellten Aufnahmen sind die ersten, die jemals von einem solaren Pol gemacht wurden. Wenige Tage später, am 23. März 2025, erreichte der Solar Orbiter den bisher maximalen Beobachtungswinkel von 17 Grad. Die ersten Aufnahmen und Daten dieser Beobachtungskampagne hat die ESA jetzt veröffentlicht.

„Heute präsentieren wir der Menschheit die ersten Ansichten eines Sonnenpols“, sagt Carole Mundell, ESA-Direktorin für Wissenschaft. „Diese einzigartigen neuen Ansichten unserer Solar-Orbiter-Mission markieren den Beginn einer neuen Ära der Sonnenforschung. Die Sonne ist unser nächster Stern, Lebensspender und potenzieller Störenfried moderner Systeme, sowohl im Weltraum als auch auf der Erde. Es ist daher unerlässlich, dass wir verstehen, wie sie funktioniert und ihr Verhalten vorhersagen können.“ Der einzigartige Blickwinkel des Solar Orbiters werde unser Verständnis des Magnetfelds der Sonne, des Sonnenzyklus und der Funktionsweise des Weltraumwetters verändern. Bei ihren ersten Polbeobachtungen hat die Raumsonde den solaren Südpol zunächst mit drei ihrer Instrumente aufgenommen: dem Polarimetric and Helioseismic Imager (PHI), dem Extreme Ultraviolet Imager (EUI) und dem Spectral Imaging of the Coronal Environment (SPICE) Instrument.

Chaotisches Magnetfeld am Pol

Eine erste Erkenntnis aus den vom Solar Orbiter übermittelten Daten ist die Entdeckung, dass das Magnetfeld der Sonne am Südpol derzeit chaotisch strukturiert ist. Anders als der Erdmagnetfeld, bei dem die Magnetfeldlinien geordnet und in gleicher Polung von einem Pol zum anderen ziehen, herrscht am solaren Südpol eine weit weniger deutliche Polung. Die Magnetfeldmessungen des PHI-Instruments zeigen, dass dort Magnetfelder beider Polungen präsent und scheinbar willkürlich durcheinandergemischt sind. Wie die Sonnenforscher erklären, hängt dies mit der momentanen Phase des Sonnenzyklus zusammen. Denn Im Verlauf des elfjährigen Zyklus wandern die um die Sonne reichenden Bänder der stärksten Polung und Magnetfeldintensität allmählich vom solaren Äquator zu den Polen. Bei Erreichen des solaren Maximums schwächt sich das Sonnenmagnetfeld ab und an den Polen kommt es zu ersten lokalen Umpolungen, bis dann das gesamte Magnetfeld „umkippt“ und sich wieder neu aufbaut.

„Wie genau dieser Aufbau erfolgt, ist noch nicht vollständig verstanden, daher hat der Solar Orbiter die hohen Breitengrade genau zum richtigen Zeitpunkt erreicht, um den gesamten Prozess aus seiner einzigartigen und günstigen Perspektive zu verfolgen“, erklärt Solanki. Die aktuellen Messdaten bestätigen, dass das solare Magnetfeld zurzeit in der für das solare Maximum typischen Schwäche- und Chaosphase ist. In den nächsten Monaten können die Astronomen dadurch quasi aus der ersten Reihe mitverfolgen, wie sich das solare Magnetfeld rekonstituiert und allmählich wieder an Ordnung und Intensität zunimmt. In fünf bis sechs Jahren, beim nächsten solaren Minimum, wird es dann seine größte Stärke erreicht haben.

Sich bewegende „Klumpen“ solaren Plasmas

Eine weitere Premiere lieferte das SPICE-Instrument des Solar Orbiter. Dieser bildgebende Spektrograf misst die Spektrallinien von chemischen Elementen wie Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff, Neon und Magnesium auf der Sonne. Mithilfe der aktuellen Daten konnten Astronomen nun erstmals nachvollziehen, wie schnell sich die verschiedenen „Klumpen“ solaren Plasmas in Polnähe bewegen. Denn je nach Richtung und Tempo verschieben sich die spektralen Emissionslinien dieser Elemente im Lichtspektrum leicht ins bläuliche oder rötliche. Das SPICE-Instrument kann so Bewegungen von solarem Material in verschiedenen Oberflächenschichten der Sonne sichtbar machen. So zeigt eine erste Geschwindigkeitskarte anhand der Kohlenstoff-Spektrallinien, wie sich Plasma in der dünnen Übergangsregion bewegt, in der die Temperatur der Sonne relativschnell von rund zehntausend auf mehrere hunderttausend Grad ansteigt. Solche Daten können unter anderem verraten, wo und wie der Sonnenwind entsteht. „Messungen aus hohen Breitengraden, die jetzt mit Solar Orbiter möglich sind, werden die Sonnenphysik revolutionieren“, sagt Frédéric Auchère von der Universität Paris-Saclay in Frankreich.

Schon diese ersten Daten des Solar Orbiter haben wertvolle neue Einblicke in die Sonnenphysik gebracht, den vollständigen Datensatz seiner ersten vollständigen „Pol-zu-Pol“-Flugbahn wird die Sonde bis Oktober 2025 zur Erde senden. Doch der Solar Orbiter steht erst am Anfang dieser entscheidenden Missionsphase. „Dies ist nur der erste Schritt auf der ‚Himmelsleiter‘ des Solar Orbiters: In den kommenden Jahren wird die Raumsonde weiter aus der Ekliptikebene herausfliegen, um immer bessere Ansichten der Sonnenpole zu erhalten“, erklärt Daniel Müller von der ESA. Der Solar Orbiter wird noch bis Weihnachten 2026 bei einer Bahnneigung von 17 Grad bleiben. Dann führt er einen weiteren Swingby an der Venus durch, um dadurch den Neigungswinkel seiner Bahn auf 24 Grad zu erhöhen. Ab dem 10. Juni 2029 soll die Raumsonde dann ihre maximale Höhe von 33 Grad über der Ekliptik erreichen. „Die dabei gesammelten Daten werden unser Verständnis des Magnetfelds der Sonne, des Sonnenwinds und der Sonnenaktivität verändern“, sagt Müller.

Quelle: European Space Agency (ESA)

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© wissenschaft.de – Nadja Podbregar