Solar Orbiter STIX

Die Solar Orbiter Mission der Europäischen Weltraumbehörde ESA (Start: Februar 2020) wird bis zu einer Entfernung von 0.28 Astronomischen Einheiten an die Sonne fliegen, das heißt näher als der Planet Merkur. Solar Orbiter wird unser Verständnis der Heliosphäre revolutionieren eine riesige Plasmawolke, die von unserer Sonne erzeugt wird und in die unser ganzes Sonnensystem eingebettet ist. Die energiereichsten Ausbrüche der Sonne, Flares und koronale Massenauswürfe, sind die Ursache für starke Störungen des Weltraumwetters in Erdnähe. Aufgrund der zunehmenden Abhängigkeit von sensibler und weltraumgestützter Technik ist unsere moderne Gesellschaft auch zunehmend anfällig für Störungen des Weltraumwetters. Die zentrale wissenschaftliche Fragestellung der Solar Orbiter Mission ist es, zu verstehen, wie die Sonne unsere Heliosphäre erzeugt und moduliert. Solar Orbiter hat zehn wissenschaftliche Instrumente an Bord, für abbildende Beobachtungen sowie auch für in-situ Messungen, inklusive der ersten Nahaufnahmen der Sonne und ihrer Pole. Solar Orbiter wird unser Wissen über das Magnetfeld der Sonne, den Sonnenwind, das heliosphärische Magnetfeld, energetische Teilchen von der Sonne sowie Flares und koronale Massenauswürfe fundamental erweitern. Das STIX Instrument (Spectrometer Telescope for Imaging X- rays) an Bord von Solar Orbiter nimmt Spektren und Bilder der Sonne bei Röntgenwellenlängen auf. Beobachtungen der Sonne im Röntgenbereich ermöglichen eine Diagnostik der in Flares beschleunigten hochenergetischen Elektronen (mittels der nicht-thermischen Bremsstrahlung, die sie aussenden) sowie des heißesten Sonnenplasmas, das in Flares auf Temperaturen von 10-50 Millionen Grad aufgeheizt wird und thermische Bremsstrahlung im Röntgenbereich emittiert. Darüber hinaus ist STIX auch sensitiv für die Untersuchung der kleinsten solaren Flares, sogenannte Mikroflares. Die wissenschaftlichen Zielsetzungen des Projekts sind folgende: a) die Analyse von Mikroflares und ihre Relevanz für die Heizung der Millionen-Grad heißen äußersten Schicht der Sonnenatmosphäre, der Korona; b) kombinierte Messungen der Röntgenstrahlung der Flare-beschleunigten Elektronen auf der Sonne mittels STIX und der Elektronen, die von der Sonne entkommen und in-situ von Solar Orbiter Instrumenten sowie von NASAs Parker Solar Probe Mission (die bis zu 9 Sonnenradien an die Sonne heranfliegen wird) gemessen werden; c) stereoskopische Beobachtungen der Röntgenstrahlung von Flares, um die Richtungsabhängigkeit der Strahlung und der beschleunigten Elektronenverteilung zu studieren. Die Kombination von STIX mit anderen Instrumenten auf Solar Orbiter und den sonnennahen Messungen von NASAs Parker Solar Probe ermöglicht fundamental neue Zugänge und Einblicke in die Beschleunigung und den Transport von hochenergetischen Teilchen von der Sonne.

Die Raumsonde Solar Orbiter, gestartet im Februar 2020, ist gegenwärtig die wichtigste Mission der Europäischen Weltraumbehörde ESA im Bereich der Sonnen- und Heliosphärenphysik. Solar Orbiter hat 10 wissenschaftliche Instrumente an Bord, die in einer bisher nicht dagewesenen Kombination in-situ (vor-Ort) Messungen des interplanetaren Plasma's mit abbildenden Instrumenten zur Fernerkundung der Sonne verknüpfen, um besser zu verstehen, wie die Sonne hochenergetische Ausbrüche und Teilchen erzeugt, und wie sich diese in unserer Heliosphäre ausbreiten. Eines dieser Instrumente ist STIX, ein Röntgenteleskop, an dessen Entwicklung die Universität Graz beteiligt war. STIX misst die Signatur von hochenergetischen Elektronen, die während Strahlungsausbrüchen von der Sonne auf Bruchteile der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Diese Beobachtungen umfassen Zeitserien, Bilder und Spektren im Bereich der harten Röntgenstrahlung. Zudem können Beobachtungen von STIX zur Bestimmung von Temperatur und Dichte des extrem aufgeheizten Sonnenplasma (auf 10-50 Millionen Grad) während Flare-Ausbrüchen herangezogen werden. Die zentralen Resultate im vorliegenden Projekt waren ein besseres Verständnis von sogenannten Microflares, das heißt besonders kleinen Strahlungsausbrüchen, die aber sehr häufig auftreten. Hier konnte u.a. gezeigt werden, dass diese besonders harte (hochenergetische) Teilchenspektren produzieren können, wenn das zugehörige Magnetfeld direkt in einem Sonnenfleck verankert ist. Zudem wurde das koronale Magnetfeld in Flareausbrüchen modelliert und in Kombination mit den STIX Röntgendaten sowie Beobachtungen bei extrem ultravioletten Wellenlängen die zugrundeliegenden magnetischen Rekonnexionsprozesse, die zur Energiefreisetzung führen, ermittelt. Ein besseres physikalisches Verständnis dieser Prozesse, die zu Strahlungs- und Materie-Ausbrüchen auf der Sonne führen, ist zentral, um in Zukunft die Methoden zur Vorhersage von Störungen unseres "Weltraumwetter" in Erdnähe verbessern zu können.