Im Fokus: Sonnensystem
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Nadja Podbregar Dieter Lohmann Im Fokus: Sonnensystem Eine Reise durch unsere kosmische Heimat Naturwissenschaften im Fokus Reihenherausgeber Harald Frater Nadja Podbregar Dieter Lohmann Im Fokus: Sonnensystem Eine Reise durch unsere kosmische Heimat Autoren Nadja Podbregar MMCD NEW MEDIA GmbH Film- und Medienproduktion Düsseldorf, Deutschland [email protected] ISBN 978-3-642-41894-5 DOI 10.1007/978-3-642-41895-2 Dieter Lohmann MMCD NEW MEDIA GmbH Film- und Medienproduktion Düsseldorf, Deutschland [email protected] ISBN 978-3-642-41895-2 (eBook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar. Springer Spektrum © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Planung und Lektorat: Frank Wigger, Meike Barth Einbandabbildung: NASA/JPL Einbandentwurf : deblik, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer Spektrum ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media www.springer-spektrum.de Inhaltsverzeichnis 1 2 3 Geboren aus Feuer und Staub – Zeitreise zum Anfang des Sonnensystems . . . . . . Nadja Podbregar Turbulenzen in der Urwolke . . . . . . . . . . . . . . . Kohlenmonoxid-Schnee, Wassereis und Sonnenwind Wüsten, Lücken und ein Unruhestifter . . . . . . . . . Glutball Erde – die Anfänge unseres Planeten . . . . Von der Todesfalle zur Wiege des Lebens . . . . . . . ..... 1 . . . . . . . . . . 1 2 5 6 8 ... 11 ... ... ... 12 14 16 . . . . . . . . . . 18 20 22 23 25 ...... 29 ...... ...... ...... 29 31 33 . . . . . Sturm von der Sonne – Höllenfeuer im Lichtgestirn . Nadja Podbregar Ein ganz normaler Zwergstern . . . . . . . . . . . . . . . . Rätselhafte Hitze – die Atmosphäre der Sonne . . . . . . Der Super-Flare – Die Entdeckung der Sonnenstürme . Reißende Gummibänder – Was passiert bei einem solaren Ausbruch? . . . . . . . . . . . . . . . . . Polarlichter und Stromausfall – die Folgen . . . . . . . . Chaos im Orbit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Weltraumwetterbericht als Frühwarnung . . . . . . . . . . Das solare Maximum und der Sonnenzyklus . . . . . . . Merkur – Dem innersten Planeten auf der Spur Nadja Podbregar Geheimnisvoller Sonnennachbar . . . . . . . . . . . . Das erste Rätsel: die Topografie . . . . . . . . . . . . Alte Vulkane und frische Löcher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V VI Inhaltsverzeichnis Das zweite Rätsel: die Zusammensetzung . . . . Das dritte Rätsel: das Magnetfeld . . . . . . . . . Das vierte Rätsel: Der Kern des Merkur . . . . . Das fünfte Rätsel: Die Atmosphäre . . . . . . . . Das sechste Rätsel: Helle Flecken an den Polen Was sind die dunklen Stellen? . . . . . . . . . . . 4 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 37 40 41 43 45 ...... 47 ...... ...... 48 49 . . . . . . . . . . . . . . . . 51 53 55 57 58 59 61 63 Mond: Treuer Begleiter der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . Nadja Podbregar „Luna“ gegen „Apollo“ – Kalter Krieg im All . . . . . . . . . „Faszinierende Einöde“ – Die ersten Schritte auf dem Mond Das wissenschaftliche Erbe der Apollo-Missionen . . . . . . . Bebenwellen verraten das Innenleben . . . . . . . . . . . . . . Wasser – sogar auf dem Mond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eis im Krater – oder doch nicht? . . . . . . . . . . . . . . . . . . Planetare Katastrophe: Wie entstand der Mond? . . . . . . . . Theorie mit vielen offenen Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . Ein Magma-Ozean und das Große Bombardement . . . . . . . Rätselhafte Krater-Asymmetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rückkehr zum Mond – wird es wieder bemannte Mondmissionen geben? . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Venus – höllische Schwester der Erde . . . . . . . Nadja Podbregar Das Rätsel der Phasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ein dunkler Fleck vor der Sonne: Venustransit . . . Venusjagd: Der Transit als Messhilfe für die astronomische Einheit . . . . . . . . . . . . . Ziel Venus: Besuch beim ersten fremden Planeten . Riesensturm am Venus-Südpol . . . . . . . . . . . . . Auf der Suche nach dem verschwundenen Wasser . Tödlicher Treibhauseffekt . . . . . . . . . . . . . . . . Bergketten, Kontinente und rätselhafte Ringgräben Treibhauseffekt als Motor der Venus-Tektonik? . . Feuerberge und Lavaströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 70 72 73 75 77 78 80 83 85 87 Inhaltsverzeichnis 6 7 8 Sonderfall Erde? Das Geheimnis der Habitabilität Nadja Podbregar Eine Frage der Lage – und der Atmosphäre . . . . . . . Eine Frage der Zeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eine Frage der Größe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eine Frage der Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auf der Suche nach Erdzwillingen . . . . . . . . . . . . VII .... 91 . . . . . 91 94 95 97 99 . . . . . . . . . . Mars – der kalte Bruder der Erde . . . . . . . . . . . . . . Nadja Podbregar Marslandschaft: Extreme auf kleinem Raum . . . . . . . . . Atmosphäre: Sauerstoff statt Kohlendioxid . . . . . . . . . . Das Rätsel der wandernden Dünen . . . . . . . . . . . . . . . Vulkanriesen und Supervulkane . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasser: Flüsse und Seen auf dem Roten Planeten . . . . . . Katastrophale Sturzfluten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ein urzeitliches Marsmeer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regen, Schnee und Wasserdampf . . . . . . . . . . . . . . . . Flüssiges Wasser noch heute? . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rinne und Kanäle am Hang – Indizien für Wassererosion? Marsgestein: Grau und mild statt rot und aggressiv? . . . . . Bemannte Reise zum Mars: Achtung Strahlung . . . . . . . . . . . . . 101 . . . . . . . . . . . . 102 104 106 109 112 115 117 118 120 122 124 126 Asteroidengürtel: Rush-Hour zwischen Mars und Jupiter Nadja Podbregar Trümmer aus der Frühzeit des Sonnensystems . . . . . . . . . Folgenreiche Kollisionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fahndung nach dem Ursprung des „Dino-Killers“ . . . . . . . Erdnahe Asteroiden: Wilde Mischung . . . . . . . . . . . . . . Getrennt und doch gemeinsam: das Rätsel der Asteroidenpaare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ein Kometen-Friedhof im Asteroidengürtel? . . . . . . . . . . Vesta: vernarbtes Relikt eines Protoplaneten . . . . . . . . . . Ceres: der größte unter den Kleinen . . . . . . . . . . . . . . . . 129 129 131 133 135 136 138 141 143 VIII 9 10 11 Inhaltsverzeichnis Jupiter: Gasriese mit Geheimnissen . . . . . . . . . . . . . . Nadja Podbregar „Mord“ unter Hochdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Rätsel des verlorenen Streifens . . . . . . . . . . . . . . . . Supersturm: Der „Rote Riese“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Innere: Wasserstoffmetall und Heliumregen . . . . . . . . Das Magnetfeld: „Beep-Beep“ aus dem All . . . . . . . . . . . Entstehung ungeklärt – die rätselhafte Vergangenheit des Riesenplaneten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Januskopf: Warum der Gasriese zugleich schützt und bedroht Impaktfolgen: Eine seltsame Aschenwolke . . . . . . . . . . . . . . . und viel Wasserdampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rätselhafte Rippelmuster im Ring . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 149 151 152 154 156 158 161 162 164 165 Der Hofstaat des Gasriesen – die Monde des Jupiter . . . Nadja Podbregar Galilei und die vier Rätselsterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . Io: Innenläufer mit brodelndem Innenleben . . . . . . . . . . . Von Gezeitenkräften durchgewalkt . . . . . . . . . . . . . . . . Ein Ozean aus flüssigem Magma . . . . . . . . . . . . . . . . . Europa: Salzmeer unter der Eiskruste . . . . . . . . . . . . . . . Das Rätsel der Risse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Isoliert: Ein irdischer See als Modell . . . . . . . . . . . . . . . Eiskruste: Undurchdringliche Barriere oder nährende Hülle? Wasserdampf-Fontänen – eine Verbindung zum subglazialen Meer? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aktive Chemie im Eis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ganymed: der zweigesichtige Riese . . . . . . . . . . . . . . . . Kallisto: der ungleiche Zwilling . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bombardement in der Gefahrenzone . . . . . . . . . . . . . . . 167 180 181 183 184 186 Saturn: Besuch beim Herrn der Ringe . . . . . . . . Nadja Podbregar Gase, Innenleben und eine stürmische Atmosphäre . . Der Große Weiße Fleck: Superstürme auf dem Saturn Rätsel um das polare Sechseck . . . . . . . . . . . . . . . Polarlichter und ein pulsierender Herzschlag . . . . . . 189 191 192 194 167 169 171 172 173 175 176 178 . . . . 189 . . . . . . . . . . . . . . . . Inhaltsverzeichnis 12 13 14 IX Eine magnetische Nabelschnur zwischen Saturn und Enceladus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Rätsel der Ringe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ringvarianten: Der unsichtbare Riese und die Spiralen Monde als Materiallieferanten . . . . . . . . . . . . . . . Schattenspiele: Das Phänomen der Speichen . . . . . . Regnende Ringe zeichnen Streifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rätsel Titan – Methanwelt unter orangefarbenem Schleier . . . . . . . . . Nadja Podbregar Ein Mond ohne „Gesicht“ . . . . . . . . . . . . . . Landung auf dem Mond – des Saturn . . . . . . . Seen und Ozeane – aus Methan . . . . . . . . . . Wolken, Stürme und ein großer Kreislauf . . . . Ein Himalaya auf dem Saturnmond . . . . . . . . Gibt es einen flüssigen Ozean unter der Kruste? Vulkane mit Lava aus Eis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 198 200 201 203 205 . . . . . . . . 207 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Uranus und Neptun: Eisige Außenwelten . . . . . . . . . . Nadja Podbregar Ein seltsamer Komet – die Entdeckung des Uranus . . . . . Platzwechsel im frühen Planetensystem . . . . . . . . . . . . Langweilig nur auf den ersten Blick: Das Wetter auf dem Uranus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Uranus und Neptun: Magnetfeld mit vier Polen . . . . . . . Ringe, Monde und drei trojanische Begleiter . . . . . . . . . Neptun: Auf der Suche nach dem Störplanet . . . . . . . . . Stürmische Winde und ein heißer Südpol . . . . . . . . . . . Gasige Kometenspuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klumpen und Bögen im Außenring . . . . . . . . . . . . . . . Ungewöhnlicher Kleinplanet zwischen Uranus und Neptun . . . . . . . 207 208 210 213 214 215 217 . 221 . 222 . 223 . . . . . . . . 225 228 229 231 233 236 237 239 Eisige Außenseiter: Pluto und seine Geschwister . . . . . . 243 Nadja Podbregar Planet X – die Entdeckung des Pluto . . . . . . . . . . . . . . . 244 Viel zu hell und enttäuschend klein . . . . . . . . . . . . . . . . 245 X Inhaltsverzeichnis Dynamisches Duo mit katastrophaler Vergangenheit . . . . . Exzentrisch – und fremd? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pluto bekommt Geschwister . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acht oder zwölf – die folgenreiche Entscheidung der IAU . . Plutos Atmosphäre: dünn und rätselhaft warm . . . . . . . . . Die Oberfläche: starke Kontraste und wechselnde Helligkeit 246 248 249 251 252 255 Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 License: creative commons – Attribution-ShareAlike 3.0 Unported . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Geboren aus Feuer und Staub – Zeitreise zum Anfang des Sonnensystems 1 Nadja Podbregar Es begann vor rund 4,6 Milliarden Jahren: In einer gewaltigen Wolke aus Gas und Staub erwacht ein neuer Stern zum Leben. Bald entstehen um ihn herum auch junge Welten – das Sonnensystem wird geboren. Und durch eine glückliche Fügung kreist einer dieser neuen Planeten genau in der Zone des Lebens – die Erde. Wie aber kam es dazu und wie wurde unsere kosmische Heimat zu dem, was sie heute ist? Die genauen Abläufe am Ursprung des Sonnensystems und damit auch der Erde liegen bis heute noch weitgehend im Dunkeln. Astronomen müssen sich mit ihrem Wissen über physikalische Grundgesetze sowie spärlichen Hinweisen aus Gesteinsproben, den Messdaten von Raumsonden und Beobachtungen anderer Planetensystem behelfen. Auch Asteroiden – Überbleibsel aus der frühen Jugend unseres Sonnensystems – liefern wertvolle Informationen. All diese Indizien ermöglichen heute zumindest eine grobe Rekonstruktion der Ereignisse – auch wenn noch viele Fragen offen bleiben . . . Turbulenzen in der Urwolke Am Anfang der Geschichte unseres Planeten steht eine Wolke aus Gas und Staub. In ihr kreisen vor allem Wasserstoff und Helium, aber auch Wasserdampf sowie Kohlenstoff- und Siliziumverbindungen in einer riesigen wirbelnden Scheibe. Die Drehung dieser so genannten Akkretionsscheibe wirkt der Schwerkraft entgegen und verhindert – zunächst – ihr Zusammenfallen. Doch dann geschieht etwas Dramatisches: In der Nähe explodiert ein Stern. Aus der Messung von Sauerstoff-Isotopen in MeteoN. Podbregar und D. Lohmann, Im Fokus: Sonnensystem, Naturwissenschaften im Fokus, DOI 10.1007/978-3-642-41895-2_1, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014 1 2 1 Geboren aus Feuer und Staub – Zeitreise zum Anfang des Sonnensystems riten schätzen Astronomen den Zeitpunkt dieser Supernova auf ungefähr 750.000 Jahre vor Entstehung unseres Sonnensystems. Die Schockwellen der Explosion treffen die Urwolke und stören kurzzeitig ihre Drehung. Dadurch kann die Zentrifugalkraft die Schwerkraft der angesammelten Materie nicht mehr ausgleichen und die Wolke kollabiert. Der größte Teil von Gas und Staub stürzt ins Zentrum der Wolke und ballt sich hier immer dichter zusammen. Der starke Druck heizt die Materie immer weiter auf. Temperatur und Druck werden so extrem, dass sogar Atomkerne miteinander verschmelzen. Diese Kernfusion setzt gewaltige Energien frei, die als Strahlung nach außen abgehen – ein Stern ist entstanden, die junge Sonne. Bis heute liefert die Kernfusion in ihrem Inneren die Energie, um der Umgebung Licht und Wärme zu spenden. Die Strahlung der Sonne verhindert das weitere Zusammenfallen der Wolke und stabilisiert sie. Vor 4,568 Milliarden Jahren klumpen die noch immer kreisenden Staubteilchen zusammen und bilden größere Brocken, die so genannte Planetesimale. Allmählich kühlt sich auch das Gas soweit ab, dass es kondensiert. Im inneren Bereich der protoplanetaren Scheibe entstehen dadurch vor allem Ansammlungen der schwerflüchtigeren Elemente und Verbindungen wie Silizium, Eisen oder Nickel. Durch Kollisionen mit anderen Brocken und Anlagerungen von Staub und kleineren Teilchen bilden sich hier allmählich die Vorläufer der inneren Planeten Merkur, Venus, Erde und Mars. Noch allerdings ist ihre Oberfläche nicht fest, sondern heiß und glutflüssig. Im Außenbereich der Scheibe sind die schwereren Elemente rar, hier bilden sich daher Protoplaneten aus Eis, vermischt mit Staub und Gas. Sie sind die Vorläufer der heutigen Gasriesen Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Kohlenmonoxid-Schnee, Wassereis und Sonnenwind Wo welches Material zur Verfügung steht und wo sich Eisplaneten bilden, bestimmt unter anderem die sogenannte Schneegrenze. Mit zunehmendem Abstand vom Stern friert zunächst Wasser aus und bildet die erste Schneegrenze. Weiter draußen, bei noch kühleren Temperaturen, frieren weitere Stoffe aus und werden zu Schnee, wie zum Beispiel Kohlenstoffdioxid (CO2 ), Methan (CH4 ) und Kohlenstoffmonoxid (CO). In Kohlenmonoxid-Schnee, Wassereis und Sonnenwind 3 Am Anfang stand eine rotierende Wolke aus Gas und Staub um einen jungen, gerade erst erwachten Stern. © NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC) festem Zustand umgeben diese Stoffe Staubkörner mit einer Art klebriger Hülle. Sie spielen daher eine entscheidende Rolle beim Wachstum der Staubkörner: Sie verhindern, dass die Staubkörner bei Kollisionen auseinanderbrechen und ermöglichen ihnen so, zu den Grundbausteinen von Planeten und Kometen zu werden. Der Schnee vergrößert zusätzlich den Anteil fester Materie in der Scheibe und könnte dadurch den Prozess der Planetenentstehung beschleunigt haben. Jede einzelne dieser Schneegrenzen – für Wasser, Kohlenstoffdioxid, Methan und Kohlenmonoxid – hängt zudem mit der Entstehung bestimmter Typen von Planeten zusammen. Um einen Stern wie die junge Sonne liegt die Wasser-Schneegrenze etwa in dem Bereich zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter, während die KohlenstoffmonoxidSchneegrenze etwa bei der Umlaufbahn des Planeten Neptun liegt. Wie solche Schneegrenzen in der Akkretionsscheibe um junge Sterne ausse- 4 1 Geboren aus Feuer und Staub – Zeitreise zum Anfang des Sonnensystems hen, konnten Astronomen lange Zeit nur theoretisch ermitteln. Doch im Sommer 2013 gelang es einem internationalen Forscherteam erstmals, mit Hilfe des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) einen Blick auf die Schneegrenze eines fremden Planetensystems zu werfen. Das Teleskop zeigte die Kohlenstoffmonoxid-Schneegrenze um den jungen Stern TW Hydrae, der 175 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt. Die Astronomen gehen davon aus, dass dieses angehende Planetensystem ähnliche Eigenschaften besitzt wie unser eigenes Sonnensystem, als erst wenige Millionen Jahre alt war. „Dank ALMA haben wir jetzt das erste echte Bild der Schneegrenze um einen jungen Stern. Das verrät uns einiges über die erste Phase der Geschichte unseres eigenen Sonnensystems“, erklärte Chunhua Qi vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge (USA), einer der beiden Studienleiter. „Damit sind wir in der Lage Details über die eisigen Außenbereiche eines fernen, Sonnensystem-ähnlichen Planetensystems zu erfahren, die uns zuvor verborgen geblieben sind.“ Konkret verraten die ALMA-Daten, dass die Kohlenmonoxid-Schneegrenze um TW Hydrae bei etwa 30 Astronomischen Einheiten liegt – dem rund 30-fachen Abstand Erde–Sonne. Dieses Ergebnis passt gut zu den theoretischen Modellen. Die Forscher hoffen nun, auch die anderen Schneegrenzen bald näher bestimmen zu können. Aber egal, ob diesseits oder jenseits der Schneegrenzen: Im Prinzip sind alle Planeten aus der gleichen Urwolke entstanden wie die Sonne. Theoretisch müssten daher auch alle die gleichen, für das Sonnensystem typischen Verhältnisse der Atomsorten, der Isotope, enthalten. Doch das scheint nicht der Fall zu sein, wie im Sommer 2011 zwei Forscherteams feststellten. Sie hatten Proben des Sonnenwinds ausgewertet, den die NASA-Raumsonde Genesis im Laufe von fast drei Jahren gesammelt und in einer Kapsel zur Erde zurückgeschossen hatte. Das Material des Sonnenwinds stammt aus dem äußeren Bereich der Sonne und gilt als wichtiges Relikt aus der Vergangenheit, da sich die Zusammensetzung der äußeren Sonnenhülle seit ihrer Entstehung aus dem Urnebel nicht nennenswert verändert haben soll. „Diese Ergebnisse zeigen, dass alle Objekte des inneren Sonnensystems, darunter auch die terrestrischen Planeten, Meteoriten und Kometen, anormal sind gemessen an der ursprünglichen Zusammensetzung des Nebels, aus dem sich das Sonnensystem einst bildete“, erklärt Bernard Wüsten, Lücken und ein Unruhestifter 5 Marty vom Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques im französischen Nancy. So weisen die Erde, der Mond, sowie Meteoriten vom Mars und andere Asteroidenfragmente eine geringere Konzentration des Sauerstoff-Isotops O-16 auf als die Sonne. Und auch in Bezug auf das Stickstoff-Isotop N-14 weichen die Werte der inneren Planeten von denen der Sonne und des Gasplaneten Jupiter ab. Offenbar müssen in der Frühzeit des Sonnensystems im Urnebel Prozesse abgelaufen sein, die das Verhältnis von Sauerstoff und Stickstoff-Isotopen im Bereich der späteren inneren Planeten veränderten. „Das deutet möglicherweise darauf hin, dass wir nicht aus dem gleichen Urnebel-Material gebildet wurden, das auch die Sonne erzeugte – warum und wie bleibt allerdings noch zu entdecken“, erklärt Kevin McKeegan von der Universität von Kalifornien in Los Angeles. Wüsten, Lücken und ein Unruhestifter Zunächst wachsen die um die Sonne kreisenden Protoplaneten immer weiter an. Wie große Staubsauger ziehen sie in ihrer Umgebung und entlang ihrer Umlaufbahn durch ihre Schwerkraft Staub und Teilchen an sich. Die Schwerkraft beeinflusst teilweise auch die benachbarten Protoplaneten und führt dazu, dass sich jeder von ihnen in einer bestimmten Bahn „einnischt“. Nach neuesten Erkenntnissen wirkt vor allem der Protojupiter, der größte planetare Körper im jungen Sonnensystem, auf die anderen ein. Er verhindert vermutlich auch, dass sich in der Lücke zwischen ihm und dem Protomars ein weiterer Protoplanet bildet. Stattdessen bleibt dort bis heute eine Ansammlung von kleineren und größeren Brocken erhalten – der Asteroidengürtel. Der Protojupiter ist aber noch in anderer Hinsicht ungewöhnlich, denn er umrundet die Sonne auf einer Bahn, in der er einer Theorie nach gar nicht sein dürfte: Gasriesen wie er bevorzugen normalerweise nur bestimmte Umlaufbahnen. „Die Planeten verteilen sich daher nicht gleichmäßig, sondern es entstehen Wüsten ohne Planeten sowie an anderer Stelle Planetenhaufen“, erklärt Ilaria Pascucci von der University of Arizona. Anfang 2012 fanden er und sein Kollege Richard Alexander von der University of Leicester heraus, warum: Die hochenergetische Strahlung einer Babysonne verdampft offenbar alles Gas in einer bestimmten 6 1 Geboren aus Feuer und Staub – Zeitreise zum Anfang des Sonnensystems Entfernung vom Stern, dadurch fehlt dort den Protoplaneten das Baumaterial und es entsteht eine planetenlose Lücke. „Das Material, das sehr nahe am Stern ist, wird zwar sehr heiß, wird aber durch die starke Anziehungskraft des Sterns an seinem Platz gehalten“, erklärt Alexander. „Weiter draußen, wo die Gravitation geringer ist, verschwindet das aufgeheizte Gas ins Weltall.“ Dort entsteht die Lücke. In noch größerer Entfernung kommt dagegen nicht mehr genug Strahlung an, dort bleibt die Gasscheibe daher wieder unversehrt. Seltsamerweise aber bewegt sich der Jupiter genau in dem Bereich des Sonnensystems, in dem das Modell der beiden Astronomen eine Planetenlücke vorhersagt. Warum das so ist, wissen sie noch nicht. Möglicherweise driftete der Jupiter erst im Laufe der Zeit in seine heutige Umlaufbahn – Beobachtungen an Exoplaneten und Modelle deuten darauf hin, dass solche Wanderungen in jungen Planetensystemen durchaus häufig vorkommen könnten. Noch ist das aber nicht eindeutig belegt. Eine Antwort auf diese und andere Fragen rund um das frühe Sonnensystem erhoffen sich die Astronomen daher in Zukunft auch durch Erkenntnisse aus fremden Sonnensystemen. Etwa eine Million Jahre nach dem Abkühlen des planetarischen Nebels und dem Beginn der Planetenbildung setzt dann ein starker Sonnenwind ein. Der Strom von Strahlung und geladenen Teilchen weht die letzten Reste der ursprünglichen Gaswolke aus dem System hinaus. Die Gravitation der kleineren, inneren Protoplaneten ist zu gering, um ihre Gashüllen festzuhalten. Sie werden endgültig zu erdähnlichen Gesteinsplaneten mit höchstens dünnen Uratmosphären. Die großen Protoplaneten im Außenbereich des Sonnensystems schaffen es jedoch, einen Großteil ihrer Gase zu binden. Sie werden zu Gasplaneten. Glutball Erde – die Anfänge unseres Planeten Zurück zur Erde: Vor rund 4,5 Milliarden Jahren ist unser Planet eine glühende Kugel aus zähflüssigem Magma ohne feste Kontinente, Ozeane und eine lebensnotwendige Atmosphäre – nicht gerade lebensfreundlich. Noch immer wird sie zudem ständig von größeren und kleineren Materiebrocken aus dem umgebenden Weltraum bombardiert. Glutball Erde – die Anfänge unseres Planeten 7 Einer dieser Treffer bedeutet fast das Ende des noch jungen Planeten: Ein nahezu marsgroßes Planetesimal streift die Erde und reißt dabei ein gewaltiges Stück Material heraus. Die Trümmer dieser Kollision werden jedoch von der Schwerkraft der Erde festgehalten und in eine Umlaufbahn gebracht. Aus ihnen entsteht innerhalb von wenigen hundert bis tausend Jahren der Mond – der Trabant der Erde. Möglicherweise bildete sich dabei sogar noch ein zweiter, kleinerer Trabant, der einige Millionen Jahre später auf den Mond stürzte und mit diesem verschmolz. Dass das theoretisch möglich ist, haben Astronomen im August 2011 anhand einer Simulation belegt. Dieser nachträgliche Absturz könnte erklären, warum die Kruste der lunaren Hochebenen so besonders dick ist: Sie besteht zum Teil aus den Resten dieser Kollision. Auch nach diesen dramatischen Ereignissen hält das anhaltende Bombardement mit Resten der Planetenbildung im inneren Sonnensystem an. Die anhaltenden Einschläge setzen jedes Mal große Mengen an Energie in der jungen Erde frei. Gleichzeitig erhöht sich die Masse des Planeten durch den Materieregen allmählich. Je größer er wird, desto höher steigt auch der Druck auf sein Inneres, der Kern wird immer dichter. Dies heizt die Erde langsam auf, bis die Temperaturen in ihrem Inneren auf mehr als 2000 °C angestiegen sind. Vor dieser Erwärmung war das Innere noch relativ homogen, die chemischen Elemente waren gleichmäßig in ihm verteilt. Mit den steigenden Temperaturen aber beginnen das Eisen und die Silikatverbindungen des Erdinneren zu schmelzen. Weil sie nicht gleich schwer sind, setzt dies einen Differenzierungsprozess in Gang: Das geschmolzene Eisen und ein paar andere Metalle, darunter vor allem Nickel, sinken langsam in Richtung des Erdmittelpunkts. Sie bilden später den Erdkern. Die leichteren Elemente, darunter auch die Gesteinsschmelze aus Silikatverbindungen, werden dagegen nach außen transportiert, kühlen hier ab und bilden Erdmantel und -kruste. Die genauen Vorgänge bei diesem Differenzierungsprozess sind heute noch nicht bekannt – ebenso wenig wie die genaue Zusammensetzung der Erde vor der Entmischung. Das Problem dabei: Solange nicht bekannt ist, wie die Mineralzusammensetzung zu Beginn der gesamten Entwicklung aussah, ist es sehr schwer, die Entwicklung zum heutigen Zustand genau zu rekonstruieren. Im Jahr 2009 ist Geowissenschaftlern der University of California in Davis hier immerhin ein wichtiger Fortschritt gelungen: Sie rekonstruierten mit Hilfe eines Com- 8 1 Geboren aus Feuer und Staub – Zeitreise zum Anfang des Sonnensystems putermodells, wie die verschiedenen Eisenisotope im Erdinneren verteilt waren, bevor sich die Erdschichten bildeten. Dazu modellierten sie die Eisenisotop-Zusammensetzung von zwei Mineralen unter unterschiedlichen Druck- und Temperaturbedingungen sowie bei verschiedenen elektronischen Spinzuständen. Nach einem Monat Rechenzeit „spuckte“ der Computer die Ergebnisse aus: Das Modell belegte, dass sich die schwereren Isotope, ausgelöst durch den starken Druck, nahe dem Grund des kristallisierenden Mantels konzentrierten. Von der Todesfalle zur Wiege des Lebens Die Zeit: vor 4,2 Milliarden Jahren. Die Erde hat sich inzwischen ein wenig abgekühlt. Noch immer jedoch ist es auf dem jungen Planeten alles andere als gemütlich. Weil die Erde sich in ihrer Frühzeit schneller dreht als heute, dauert ein Tag gerade einmal fünf Stunden. Die Sonne hat jetzt begonnen, mit voller Kraft zu leuchten, ihre tödlichen UV-Strahlen bombardieren unausgesetzt die Erdoberfläche, ohne durch eine schützende Ozonschicht gefiltert zu werden. Noch immer ist zudem das große Bombardement nicht vorüber: Noch bis vor rund 3,5 Milliarden Jahren stürzen Gesteinsbrocken als Meteoriten auf die Erde und bringen dabei Kohlenstoffverbindungen und Wasserstoff mit. So ungemütlich diese Treffer den jungen, noch unbesiedelten Planeten machen, ihnen verdanken wir heute möglicherweise einen Großteil der Bodenschätze an Gold, Platin und anderen wertvollen Metallen. Denn normalerweise müssten diese schweren Metalle bereits vor rund 4,5 Milliarden Jahren in das Erdinnere abgesunken sein. Dennoch aber finden wir Lagerstätten dieser Elemente in der Erdkruste. Im Herbst 2011 stießen britische Forscher auf eine mögliche Erklärung: Die Edelmetalle gelangten vermutlich erst nach Abschluss der Differenzierung – dem Absinken der schweren Metalle in das Erdinnere – auf unseren Planeten. Darauf deuten abweichende Isotopensignaturen in Gesteinen aus der Zeit vor und nach dem großen Bombardement vor etwa 3,8 bis 3,5 Milliarden Jahren hin. „Die meisten der Edelmetalle, auf denen unsere Wirtschaft und viele wichtige industrielle Prozesse basieren, kamen daher durch einen glücklichen Zufall auf unseren Planeten – als die Erde von rund 20 Trillio- Von der Todesfalle zur Wiege des Lebens 9 Unser Sonnensystem: Diese Darstellung zeigt, wie sehr die Größen und Abstände der Planeten variieren. © NASA/JPL nen Tonnen Asteroidenmaterial getroffen wurde“, sagt Matthias Willbold von der University of Bristol. Im Laufe der Zeit mischten sich die Metalle mit den Gesteinen der Erdkruste und bildeten die heute bekannten Vorkommen. Aber auch im Untergrund gärt und brodelt es, gewaltige Umschichtungen sind im Erdinneren im Gange. Vulkane speien Gase und Wasserdampf und lassen die sogenannte erste Atmosphäre entstehen. Sie besteht nach neuesten Erkenntnissen wahrscheinlich nicht aus Methan und Ammoniak, sondern vor allem aus Wasser, Kohlendioxid, Stickstoff und Kohlenmonoxid – den Gasen, die die Feuerberge auch heute noch aus den Tiefen der Erde ans Tageslicht fördern. Nach und nach beginnt nun der Wasserdampf der Atmosphäre zu kondensieren und ein 40.000 Jahre andauernder Regen setzt ein. Diese allererste „Sintflut“ füllt langsam alle Niederungen mit Wasser und lässt die Ozeane entstehen. Ein großer Teil des Kohlendioxids aus der Gashülle löst sich jetzt in den jungen Meeren und bildet im Laufe der Zeit gewaltige Karbonat-Ablagerungen. Gleichzeitig setzt dadurch auch in der Atmosphäre erneut ein Wandel 10 1 Geboren aus Feuer und Staub – Zeitreise zum Anfang des Sonnensystems ein: Stickstoff wird zum dominierenden Gas, die sinkende Kohlendioxidkonzentration schwächt den Treibhauseffekt ab und trägt zu einer weiteren Abkühlung der noch immer reichlich warmen Erde bei. Vor gut 3,4 Milliarden Jahren ist diese Entwicklung abgeschlossen und die Bühne für den nächsten, den alles entscheidenden Schritt bereitet: das Leben. Die Erde besitzt nun Land und Meer und eine zweite Atmosphäre aus Stickstoff, Kohlendioxid und geringen Mengen Argon. Diese ist nicht mehr hoch reduzierend und aggressiv wie noch zu Anfang, sondern wahrscheinlich eher neutral. Gegen die unbarmherzig von der Sonne einfallenden UV-Strahlen schützt sie allerdings nicht – ebenso wenig wie vor den weiter andauernden Meteoriteneinschlägen. Trotzdem entstehen nun auf diesem noch immer alles andere als lebensfreundlichen Planeten die ersten Lebensformen. Wie sie genau aussahen und ob ihre Bausteine aus dem Weltraum stammen oder aber von der Erde selbst, ist bis heute umstritten. Das aber ist eine andere Geschichte . . . Sturm von der Sonne – Höllenfeuer im Lichtgestirn 2 Nadja Podbregar Sie gilt als Symbol des Himmels und des Lichts – und ohne sie gäbe es weder die Erde noch das Leben auf unserem Planeten. Aber auf der Sonne selbst herrschen eher höllische Verhältnisse. Temperaturen von 15 Millionen Grad lassen Atome verschmelzen, gewaltige Eruptionen schleudern Materie kilometerweit ins All und superschnelle Strahlenund Teilchenstürme breiten sich minutenschnell im ganzen Sonnensystem aus. Doch es kommt noch heftiger: Alle elf Jahre steigert sich das himmlische Höllenfeuerwerk zu einem Höhepunkt – dem solaren Maximum. In dieser mehrere Monate andauernden Zeit nehmen Eruptionen, Sonnenflecken und Sonnenstürme dramatisch zu. Für die Erde bleibt dies nicht ohne Folgen: Im Extremfall geraten Satelliten ins Trudeln, Kommunikationsverbindungen werden gestört und der Sonnensturm legt ganze Stromnetze lahm . . . Sonne Radius (km) Dichte (kg/m3 ) Erdmassen (–) Oberflächentemperatur (°C) Rotationsperiode (Stunden) 695.408 1408 333.000 5500 609,1 N. Podbregar und D. Lohmann, Im Fokus: Sonnensystem, Naturwissenschaften im Fokus, DOI 10.1007/978-3-642-41895-2_2, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014 11 12 2 Sturm von der Sonne – Höllenfeuer im Lichtgestirn Ein ganz normaler Zwergstern Tag für Tag wandert die Sonne über den Himmel, ohne dass wir ihr große Beachtung schenken. Was auf ihrer Oberfläche und in ihrem Inneren für ein Inferno tobt, merken wir nicht. Dennoch ist sie für uns der dominierende Himmelskörper: Ihr Lauf bestimmt unseren Tagesrhythmus, prägt unsere Jahreszeiten und Klimazonen. Für die Astronomen ist die Sonne nicht nur das mit Abstand größte Objekt in unserem Sonnensystem. Sie ist auch eine einmalige Chance, das Wesen und die Eigenschaften der Sterne quasi vor unserer Haustür zu erforschen. Denn als sogenannter Gelber Zwerg ist die Sonne ein typisches Beispiel für einen relativ häufigen Sternentyp im Universum. Aus ihrem Aufbau und ihrer Entwicklung können die Forscher daher wertvolle Rückschlüsse auf andere Sterne ziehen. Gelb, rund und ziemlich heiß – so ungefähr könnte man das wenige zusammenfassen, das der Wissenschaft lange Zeit über den Aufbau der Sonne bekannt war. Erst in neuerer Zeit haben spektroskopische Aufnahmen und helioseismische Untersuchungen enthüllt, dass die Sonne keineswegs homogen aufgebaut ist. Im Gegenteil: Sie besteht aus einer ganzen Reihe höchst unterschiedlicher Schichten. Da der „Feuerball Sonne“ ausschließlich aus heißer gasförmiger Materie besteht, unterscheiden sich die einzelnen Schichten vor allem durch ihre physikalischen Eigenschaften und die Prozesse, die in ihnen ablaufen. So ist das, was wir als die sichtbare Oberfläche der Sonne wahrnehmen, in Wirklichkeit nur eine dünne Gasschicht, durch die das Innere hindurchscheint. Der Kern ist der Fusionsreaktor der Sonne. Bei höllischen 15 Millionen Grad und der zehnfachen Dichte von Blei verschmelzen Wasserstoffatome zu Helium und setzen dabei gewaltige Energiemengen frei. In jeder Sekunde wandelt die Sonne dadurch fast fünf Millionen Tonnen Materie in Energie um. In Form von Strahlung und hochenergetischen subatomaren Teilchen, den Neutrinos, durchdringt sie die äußeren Schichten und strahlt ins Weltall hinaus. An der äußeren Grenze des Kerns, 175.000 Kilometer vom Sonnenmittelpunkt entfernt, stoppt die Kernreaktion. Mit nur noch halb so hohen Temperaturen und einem Siebtel der Dichte reichen die Bedingungen dort nicht mehr aus, um die Fusion in Gang zu halten. Ein ganz normaler Zwergstern 13 An der äußeren Kerngrenze der Sonne beginnt die sogenannte Strahlungszone. Sie nimmt fast die Hälfte des Sonneninneren ein. Die Energie aus dem Sonnenkern passiert die dichte Materie der Strahlenschicht in Form von Photonen – als Licht. Obwohl die Photonen sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, brauchen sie für ihren Weg durch die Strahlenschicht rund eine Million Jahre, weil sie dabei von einem Partikel zum nächsten springen und hin und her reflektiert werden. An der äußeren Grenze der Strahlenschicht entspricht die Dichte des heißen Gases der Dichte von Wasser, die Temperaturen liegen „nur noch“ bei zwei Millionen Grad. An die Strahlungszone schließt sich die Konvektionszone an. Sie reicht von einer Tiefe von 200.000 Kilometern bis zur sichtbaren Sonnenoberfläche. Die an ihrem unteren Rand herrschenden Temperaturen von zwei Millionen Grad sind „kühl“ genug, um den schwereren Ionen der Sonnenmaterie einige ihrer Hüllelektronen zu belassen. Dadurch wird es für die Photonen aus der darunterliegenden Strahlenschicht schwieriger, diese Hülle zu passieren. Als Folge bilden sich dort Hitzestaus, die Gase der Konvektionsschicht werden instabil und beginnen, zu „kochen“. Dabei steigen heiße Gasblasen an die Oberfläche, kühlere Bereiche sinken ab – eine Konvektionsströmung entsteht. An der Sonnenoberfläche werden diese Bewegungen als feine Strukturen, den Granula oder Supergranula, sichtbar. Die Photosphäre verleiht der Sonne den uns vertrauten Anblick, quasi ihre Oberfläche. Obwohl sie mit 100 Kilometern Dicke nur wie ein hauchdünner Schleier über dem brodelnden Inferno der Konvektionszone liegt, prägt sie das Aussehen der Sonne. Die wichtigsten teleskopisch sichtbaren Merkmale der „nur“ 6000 Grad kühlen Sonnenoberfläche, wie Sonnenflecken, Faculae oder Granula, liegen in ihr. Mithilfe der Sonnenflecken wurde auch erstmals die Rotation der Sonne beobachtet. Diese Oberfläche der Sonne ist in ständiger Bewegung. Heiße Materie fließt in einem gleichmäßigen, langsamen Strom vom Äquator zu den Polen, aufsteigende Gasblasen aus der Konvektionszone erzeugen kurzlebige und kleinräumige Umwälzungen und auch die an Polen und Äquator unterschiedlich schnelle Rotation der Sonne bringt zusätzliche Bewegung in die brodelnde Masse. Zusammen lassen all diese Prozesse ein komplexes Strömungsmuster entstehen. 14 2 Sturm von der Sonne – Höllenfeuer im Lichtgestirn Gesamtansicht der Sonne, aufgenommen im extrem ultravioletten Licht vom Solar Dynamics Observatory der NASA. Die Farben zeigen die verschiedenen Temperaturen an, Blau- und Grüntöne sind heißer als eine Million Kelvin, Rottöne mit rund 60.000 Kelvin relativ kühl. © NASA/Goddard/SDO AIA Team Rätselhafte Hitze – die Atmosphäre der Sonne Bei einem Planeten wie der Erde ist es einfach: Ihre Temperatur nimmt von innen nach außen immer weiter ab. Bei der Sonne aber wird es komplizierter. Zwar liegt auch bei ihr die heißeste Zone im Kern, dort wo die Kernfusion abläuft. Aber es gibt noch eine zweite Hitzezone – in der äu- Rätselhafte Hitze – die Atmosphäre der Sonne 15 ßeren Sonnenatmosphäre. Seltsamerweise steigen die Temperaturen von der mit 6000 °C eher kühlen Sonnenoberfläche an, je weiter man sich von ihr nach außen bewegt. So ist es in der Chromosphäre, der unteren Atmosphäre, bereits 10.000 bis 20.000 °C heiß, in der sich daran anschließende Korona dann sogar mehrere Millionen Grad. „Auf den ersten Blick widerspricht ein solcher Temperaturverlauf jedem physikalischen Verständnis“, sagt Sami K. Solanki, Direktor am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Katlenburg-Lindau. Es ist, als würde es in einem beheizten Raum mit zunehmendem Abstand von der Heizung wärmer. „Offenbar ist die Chromosphäre Schauplatz gewaltiger EnergieUmwandlungen“, so Solanki. „Vorgänge, die wir im Einzelnen noch nicht verstehen, müssen genügend Energie zur Verfügung stellen, um das Sonnenplasma derartig aufzuheizen.“ Im Jahr 2011 lieferte das Sonnenobservatorium Solar Dynamics Observatory (SDO) der NASA erstmals Hinweise darauf, wo die rätselhafte Heizung der Sonnenatmosphäre zu finden sein könnte. Die Aufnahmen der Sonde zeigten spezielle Plasmaschwingungen in der Sonnenatmosphäre, ausgelöst durch Bewegungen der Magnetfeldlinien. Ähnlich wie eine angeschlagene Gitarrensaite bewegen sich dabei die magnetischen Plasmastränge schnell hin und her. Diese Seitwärtsschwingung setzt sich entlang der Feldlinie fort. Diese so genannten Alfvén-Wellen breiten sich mit 200 bis 250 Kilometern pro Sekunde aus – auf der Erde bräuchten sie nur gut 30 Sekunden, um die Strecke von Köln nach New York zurück zu legen. Diese Plasmawellen hatte der schwedische Wissenschaftler Hannes Alfvén bereits 1942 vorhergesagt. Sie galten aber bisher als zu flach und energiearm, um die gewaltige Aufheizung der Sonnenatmosphäre zu erklären. Die neuen Daten des SDO aber zeichnen ein anders Bild: Die Alfvén-Wellen sind offenbar energiereicher als zuvor angenommen. „Jetzt wissen wir, dass diese Wellen auf jedem Quadratmeter Sonnenoberfläche das Äquivalent einer 100 bis 200 Watt Glühbirne erzeugen. Das ist genug, um die Sonnenatmosphäre aufzuheizen und den Sonnenwind anzutreiben“, sagt Scott McIntosh vom National Center for Atmospheric Research in Boulder, Colorado. Noch allerdings sind trotzdem einige Fragen zur rätselhaften Koronaheizung offen: „Zu wissen, dass es genügend Energie in den Wellen gibt, ist nur eine Hälfte des Problems. Die nächste Frage ist nun herauszufinden, welcher Teil dieser Energie in 16 2 Sturm von der Sonne – Höllenfeuer im Lichtgestirn Hitze umgewandelt wird“, erklärt McIntoshs Kollege Vladimir Airapetian vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt. „Es könnte alles sein oder nur 20 Prozent – diese Details der Konversion müssen wir nun herausfinden.“ Doch unabhängig davon, wie die Korona ihre enorme Hitze erreicht: In ihr laufen Prozesse ab, die auch für uns folgenreich sein können. Denn diese äußere Hülle um unseren Zentralstern ist so heiß, dass die Atome in ihr fast ihre gesamten Elektronen verlieren. Dabei entstehen energiereiche Teilchen, aber auch sehr kurzwellige Strahlung. Während das sichtbare Licht der Korona normalerweise von der intensiven Strahlung aus dem Sonneninneren überstrahlt wird, ist es für diese energiereiche Strahlung umgekehrt: Das von der Korona erzeugte Röntgenlicht überstrahlt das der darunterliegenden kühleren Atmosphärenschichten bei weitem. Strahlung und Teilchen in diesem Sonnenbereich sind so intensiv, dass selbst die enorme Schwerkraft des Sterns nicht ausreicht, um sie vollständig an sich zu binden. Als Folge geht von der Korona eine ständige Flut energiereicher Strahlung und superschneller Partikeln aus. Mit mehr als 400 Kilometern pro Sekunden rasen diese Partikelströme von der Sonne weg in alle Richtungen – und erreichen auch die Erde. Das irdische Magnetfeld wird durch diesen Sonnenwind verformt. Auf der sonnenzugewandten Seite ist es dadurch flacher, auf der Leeseite läuft es in einem langen Schweif aus. Unregelmäßigkeiten und Turbulenzen in der Sonnenkorona können dazu führen, dass sich schnelle und langsamere Strömungen im Sonnenwind abwechseln. Das irdische Magnetfeld wird dann von „Sonnenwindböen“ erschüttert. Aber es gibt noch weitaus dramatischere Phänomene, die von der Sonne aus auch unseren Planeten treffen können. Der Super-Flare – Die Entdeckung der Sonnenstürme Wir schreiben den ersten September 1859. Im englischen Surrey steht der Astronom Richard Carrington wie üblich in seinem privaten Observatorium und richtet sein Teleskop auf die Sonne. Es ist ein wolkenloser Vormittag – also beste Bedingungen, um seine Studien der Sonnenflecken fortzusetzen. Dass die hell leuchtende Sonnenscheibe immer wieder Der Super-Flare – Die Entdeckung der Sonnenstürme 17 einmal von dunklen Flecken verunziert wird, hatten chinesische Astronomen schon vor fast dreitausend Jahren beobachtet. In der westlichen Welt allerdings wurde ihre Existenz lange Zeit ignoriert. Die Idee von einer „befleckten Sonne“ passte einfach nicht in ein Weltbild, in dem der Himmel eine göttliche Sphäre und daher perfekt sein musste. Doch mit dem Ende des Mittelalters und durch die Erfindung des Teleskops änderte sich diese Haltung. Astronomen wie Carrington erforschen nun intensiv das Auftauchen, die Formen und die Entwicklung der Sonnenflecken. Sie hoffen, daraus Rückschlüsse über ihre Beschaffenheit und die Mechanismen ihrer Entstehung ziehen zu können. Um die Flecken zu studieren, projiziert der Forscher das Teleskopbild so auf einen Schirm, dass die Sonnenscheibe 28 Zentimeter groß erscheint – groß genug, um Sonnenflecken gut erkennen und abzeichnen zu können. An diesem Morgen ist die Ausbeute besonders groß: Eine enorme Gruppe dunkler Flecken verunziert die helle Sonnenscheibe. Noch wissen Carrington und seine Zeitgenossen nicht, was diese Flecken verursacht. Heute ist dagegen klar, dass die Sonnenflecken durch vorübergehende, lokale Störungen im Magnetfeld der Sonne entstehen. Sie bilden sich dort, wo Magnetfeldlinien aus tieferen Schichten bis in die Korona aufsteigen und so die dynamischen Umwälzströmungen an der Oberfläche beeinträchtigen. Erst vor kurzem zeigte eine Studie, dass die dunklen Kerne der Sonnenflecken aus Säulen von absinkenden Gasen bestehen, an helleren Stellen sorgt die Konvektion dagegen eher für Auftrieb. Auch die Neigung und Richtung der Magnetfeldlinien verändert sich in einem Sonnenfleck: Die magnetischen Feldlinien verlaufen in der dunklen Struktur nahezu horizontal, in der helleren sind sie dagegen um rund 50 Grad in vertikale Richtung geneigt. Oft treten die Sonnenflecken nicht einzeln auf, sondern bilden ganze Gruppen – ähnlich wie es auch Carrington im Jahr 1859 beobachtet. Doch noch während der Astronom die Sonnenflecken studiert, geschieht etwas Unerwartetes: Zwei gleißend helle Lichtpunkte erscheinen über den Sonnenflecken und werden immer intensiver. Dann verschmelzen sie zu einem einzigen nierenförmigen Licht. Carrington hat so etwas noch nie gesehen. „Hastig rannte ich raus, um jemanden zu rufen, der gemeinsam mit mir das Ereignis bezeugen konnte“, berichtet der Astronom später. „Als ich 60 Sekunden später wiederkehrte, stellte ich zu meiner 18 2 Sturm von der Sonne – Höllenfeuer im Lichtgestirn Enttäuschung fest, dass das Licht bereits völlig verändert und stark abgeschwächt war.“ Was aber war das? Carrington findet darauf zunächst keine Antwort. Reißende Gummibänder – Was passiert bei einem solaren Ausbruch? Heute weiß man, dass Carrington ein bis heute ungewöhnliches Ereignis beobachtet hatte: „Was der Astronom damals in seinem Teleskop sah, war ein gewaltiger Weißlicht-Flare, eine Magnetexplosion auf der Sonne“, erklärt David Hathaway, Solarphysiker am Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville. Sie ist aber nur eines von verschiedenen Symptomen eines Sonnensturms. Denn wenn die Sonne aktiv wird, dann kann dies auf unterschiedliche Weise geschehen. Der Anfang ist allerdings meist ähnlich: Weil sich die Sonne nicht als massive Kugel dreht, sondern je nach Breitengrad verschieden schnell, werden die Feldlinien ihres Magnetfelds im Laufe der Zeit verdreht und verformt. „Das ist wie ein verdrehtes Gummiband – mit dem man beispielsweise ein Spielzeugflugzeug durch die Luft katapultieren kann“, erklärt Alex Young, Astrophysiker am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt. „Man verdreht das Gummiband, bis es irgendwann anfängt, Knoten zu bilden.“ Auch die Magnetfeldlinien der Sonne bilden bei zu starkem Verdrillen eine Art Knoten. Sie steigen dann an die Oberfläche und lassen dort einen Sonnenfleck entstehen – ein Gebiet, in dem die Temperaturen rund 2000 Grad niedriger sind als sonst auf der rund 6000 Grad heißen Sonnenoberfläche. Dadurch sinkt auch die Leuchtkraft an dieser Stelle und der Fleck erscheint von uns aus gesehen dunkel. Doch ähnlich wie bei einem Gummiband halten auch die Magnetfeldlinien dem Verdrehen nicht ewig stand. „Das Feld wird irgendwann instabil, rekonfiguriert sich und setzt dabei Energie frei – das Gummiband reißt“, erklärt Young. Die Folge eines solchen magnetischen Kurzschlusses ist oft ein sogenannter Flare – ein Blitz intensiver elektromagnetischer Strahlung von Radiowellen bis hin zu Gammastrahlen. Weil sich dieser kurze, aber starke Blitz mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, hat er die Erde meist längst erreicht, wenn die im Weltraum stationierten Sonnenobservatorien ihn registrie-
