Wie entstehen sterne und Planeten?
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Our Home in the Cosmos Unsere Heimat im All 011 How do stars and planets originate? Was sind die Voraussetzungen für die Entstehung von Leben? What are the requirements for the formation of life? Is there life on other planets? Wie entstehen Sterne und Planeten? Gibt es Leben auf anderen Planeten? NASA/JPL/Space Science Institute ESA/ENVISAT Foto: www.papirsarkany.webzona.hu, Adam Magyar, Debrecen 011 Our Home in the Cosmos Introduction Unsere Heimat im All Einführung Jenseits der Magnetosphäre der Erde beginnt der interplanetare Raum. Er ist erfüllt vom Beyond the earth’s magnetosphere lies interplanetary space. This space is full of solar Sonnenwind: elektromagnetischen Wellenfeldern und Teilchenschauern, die die Sonne wind: electromagnetic wave fields and particle showers, radiating from the sun at the abstrahlt. Sie ist das Zentralgestirn des Planetensystems und steht daher im Zentrum des center of the our planetary system. Interesses der Sonnensystemforscher. Solar system scientists want to know how the sun works: what sorts of magnetic activiDie Wissenschaftler wollen wissen, wie die Sonne funktioniert: Wie sehen ihre mag- ties go on there? How are the highly-charged particles heated and dispersed in powerful netischen Aktivitäten aus? Wie werden die hochenergetischen Teilchen in gewaltigen pulses? Which energy transformations result in the heating of the sun’s corona and emis- Stoßwellen aufgeheizt und beschleunigt? Welche Energieumwandlungen bewir­ken das sion of the solar wind? The researchers also keep an eye on the influence of the sun on Aufheizen der Sonnenkorona und die Beschleunigung des Sonnenwindes? Daneben haben the earth: they investigate the ways in which the sun affects communication and naviga- die Forscher auch den Einfluss der Sonne auf die Erde im Blick: Sie untersuchen, wie die tion systems here on earth, as well as its long-term impact on climate changes. Sonne irdische Kommunikations- und Navigationssysteme sowie langfristig ablaufende Klimaveränderungen beeinflusst. Studying the sun, however, also entails gaining knowledge about the planets, their atmospheres and moons, and the uncovering of how they were formed and how they have Zur Erforschung des Sonnensystems gehört jedoch auch die Erkundung der Planeten, developed. This history of the solar system and the planets can be gleaned, among other ihrer Atmosphären und Monde und die Klärung ihrer Entstehung und Entwicklung. Diese things, from comets and meteorites. A prerequisite to answering of such questions, in Frühgeschichte des Sonnensystems und der Planeten erzählen auch Kometen und addition to using powerful earth-bound telescopes, is space exploration. Max Planck Meteoriten. Eine Voraussetzung zur Klärung solcher Fragen sind nicht nur leistungsfähige researchers are involved in many of these projects around the globe, including such suc- Teleskope auf der Erde, sondern auch Raummissionen. Max-Planck-Forscher arbeiten cessful missions as Mars Express or the ESO telescopes. weltweit an zahlreichen solchen Projekten mit, darunter die erfolgreiche Mission Mars Express oder die Großteleskope der ESO. 011 Our Home in the Cosmos Facts and Figures Unsere Heimat im All Daten und Fakten Energy directly from the source The sun is about 4.6 billion years old, a gigantic ball of gas with a diameter of almost 1.4 million kilometers. One would need 1,300,000 earths to fill this volume. The temperature in the sun’s interior reaches around 15 million degrees, with an unbelievable pressure of 300 billion times the air pressure on earth. In contrast, the outer gas layers have a temperature of only circa 5,500 degrees. Energy is generated through the conversion of hydrogen into helium: one gram of hydrogen generates 180,000 kWh. About 6 billion tons of hydrogen is converted in the sun’s core per second, which means that the sun looses ca. 4 million tons in mass. Over a period of 10 billion years this would result in a loss of a mere 0.1 percent of the sun’s mass. Energie direkt von der Quelle Die Sonne ist etwa 4,6 Milliarden Jahre alt, ein gigantischer Gasball von knapp 1,4 Millionen Kilometern Durchmesser. Es brauchte 1.300.000 Erdkugeln, um dieses Volumen zu füllen. Die Temperatur im Sonneninneren erreicht bei einem unvorstellbaren Druck, dem 300 milliardenfachen Luftdruck auf der Erde, etwa 15 Millionen Grad. Hingegen sind die äuße­ren Gasschichten nur noch ca. 5.500 Grad heiß. Die Energie entsteht durch die Umwandlung von Wasserstoff in Helium: Ein Gramm Wasserstoff erzeugt 180.000 kWh. Pro Sekunde werden im Sonnenkern etwa 6 Milliarden Tonnen Wasserstoff umgewandelt, dabei verliert die Sonne rund 4 Millionen Tonnen an Masse. Das führt aber innerhalb von 10 Milliarden Jahren lediglich zu einem Verlust von Jack Newton, Arizona Sky Village 0,1 Prozent der Sonnenmasse. 011 Our Home in the Cosmos Theme 11.1.1 Unsere Heimat im All Thema 11.1.1 FORMATION AND DEVELOPMENT URSPRUNG UND ENTWICKLUNG 1 2 Star Dust This visitor from another star landed on the earth riding a meteorite. Its chemical composition tells us that the 4.57 billion year old core of silicon carbide did not originate in our solar system. Though the same can be said of any so-called heavy elements on earth, such as iron, pre-solar dust particles tell us more than iron atoms. When analyzed, they disclose a history of various exposures to radiation and show signs of the temperature fluctuations they have undergone. Sternenstaub In einem Meteoriten landete dieser Be­sucher von einem anderen Stern auf der Erde. Seine chemische Zusammensetzung verrät: Das über 4,57 Milliarden Jahre alte Korn aus Siliziumkarbid stammt nicht aus unserem Sonnensystem. Das gilt zwar für alle schweren Elemente auf der Erde, etwa das Eisen, doch präsolare Staubkörner verraten mehr als Eisenatome: Sie enthüllen in der Analyse, wie sie im Laufe der Zeit be­strahlt wurden und welche Temperaturschwankungen sie durchmachten. ESO/VLT Max Planck Institute for Chemistry, Mainz 3 4 Seeking Out New Planets Today, hundreds of extrasolar planets have been identified, all of which are gas giants, like Jupiter. The Max Planck Institute for Astronomy, however, is now using the ESO’s Very Large Telescope to search for planets similar to the earth, and is examining circumstellar dust disks – the precursors to planetary systems. (Photo: spectrums of several disks show evidence of crystalline dust particles in the inner layers.) Darwin, a fleet of six space telescopes, is ­sche­duled to begin exploring the neighborhood surround­ ing our solar system in the universe for signs of other ­pla­nets starting 2014. Auf der Suche nach anderen Planeten Inzwischen sind über hundert extrasolare Planeten bekannt, stets Riesenplaneten wie der Jupiter. Das Max-Planck-Institut für Astronomie sucht nun aber mit dem Very Large Telescope der ESO nach erdähnlichen Planeten und untersucht zirkumstellare Staubscheiben – Vorläufer von Planetensystemen. Im Bild: Spektren einiger Scheiben. Sie belegen kristalline Staubteilchen im inneren Bereich. Darwin, eine Flotte aus sechs Weltraumteleskopen, soll ab 2014 die Nachbarschaft unseres Sonnensystems im Universum nach Anzeichen von Planeten durchforsten. Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg ESA 1 2 3 4 011 Our Home in the Cosmos Theme 11.1 video Unsere Heimat im All Thema 11.1 video 1 1 2 3 Stars and Planets Form in the Orion Nebula The Orion Nebula is 1,500 light years away from earth. It is visible with the naked eye as a blurred bright speck in the center of the ›sword‹ of the Orion constellation. Ultraviolet light from hot stars heats the interstellar gas here and makes it shine. The Orion Nebula contains several hundred stars at every stage of birth. Many of these young stars are surrounded by disks of gas and dust. These ›protoplanetary‹ disks could be similar to the gas cloud from which our own solar system was created four and a half billion years ago. Sterne und Planeten entstehen im Orionnebel Der Orionnebel ist 1.500 Lichtjahre von uns entfernt. Man kann ihn mit bloßem Auge als verschwommenen hellen Fleck in der Mitte des ›Schwertes‹ im Sternbild Orion erkennen. Ultraviolettes Licht von heißen Sternen erhitzt hier das interstellare Gas und bringt es zum Leuchten. Im Orionnebel gibt es mehrere hundert Sterne in allen Stadien ihrer Geburt. Ein großer Teil dieser jungen Sterne ist von Gas- und Staubscheiben umgeben. Diese protoplanetaren Scheiben könnten jener Gaswolke ähneln, aus der vor viereinhalb Milliarden Jahren unser eigenes Sonnen­ system entstand. Max Planck Institute for Astrophysics, Garching 2 Planets are Forming in Many Parts of the Cosmos Ever since the discovery of the first planet outside our solar system in 1995, the hunt has been on for these extra-solar planets. Today we know of over 130 planets that orbit sun-like stars. Computer simulations show how large planets are formed in gas and dust disks around young stars. If a planet five to ten times the size of the earth has formed from dust and rock, it picks up the gas from its immediate surroundings. A low-density gas gap is created and density waves ripple through the disk. An vielen Orten im Kosmos entstehen­ Planeten Seit 1995 der erste Planet außerhalb unseres Sonnensystems entdeckt wurde, ist eine Jagd auf diese ›extrasolaren‹ Planeten ausgebrochen. Heute sind mehr als 130 Planeten bekannt, die um sonnenähnliche Sterne kreisen. Computersimulationen zeigen, wie es zur Bildung von großen Planeten in Gas- und Staubscheiben um junge Sterne kommt. Hat sich aus Staub und Gesteinsbrocken ein Planet von fünf bis zehn Erdmassen gebildet, sammelt dieser das Gas aus seiner unmittelbaren Umgebung auf. Eine Lücke geringer Gasdichte bildet sich und Dichtewellen laufen durch die Scheibe. Max Planck Institute for Astrophysics, Garching 3 A Jupiter-Like Planet Shines as It Is Created Scientists from the Max Planck Institute for Astronomy have carried out simulations to show how a large gas ­planet heats its environment during­formation. Result: the gas layers surround­ ing the planet heat up about 1,000 degrees, radiating infrared light in the process. This heat is caused by the gas masses, which collide with the planet as a result of the force of gravity. Using the new ALMA radio telescope in the Chilean Andes, it might be possible to observe these giant shining babies for the first time. Ein Jupiter-ähnlicher Planet leuchtet bei seiner Entstehung Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Astronomie haben simuliert, wie stark ein großer Gas-Planet die Umgebung bei seiner Entstehung erwärmt. Das Ergebnis: Rund 1.000 Grad werden die ihn umhüllenden Gasschichten heiß. Dabei strahlen sie infrarotes Licht aus. Die Erwärmung kommt durch die Gasmassen zustande, die wegen der Gravitationskraft auf den Planeten stürzen. Mit dem neuen Radioteleskop ALMA in den chilenischen Anden könnten solche leuchtenden Riesenbabys zum ersten Mal ­beobachtet werden. Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg 011 Our Home in the Cosmos Theme 11.2.1 Unsere Heimat im All Thema 11.2.1 PLANETS, MOONS, METEORITES PLANETEN, MONDE, METEORITEN 1 1 Thinly-Sliced Meteorites Through this ›church window‹, cosmo-chemists can look back at the history of the solar system: it shows thin slices of meteorites in polarized light. Meteorites are generally produced by small planets situated between Jupiter and Mars. In this region of the solar system, the high gravitational pull of Jupiter makes a single large planet unstable. Instead, the original building blocks of the planets can still be found – tens of thousands of centimeter- to kilometer-sized bodies. In their debris, cosmo-chemists can view the primordial matter of the solar system: they find, for example, granules of rock (chondrules) from the time before the earth was formed. Meteorites also document the history of the body from which they originated: their structure changes as temperatures rise. Thus, it is apparent from granules, for instance, whether a meteorite once re-crystallized at more than 900 degrees or became molten at more than 1,200 degrees. Meteoriten im Dünnschliff Durch dieses ›Kirchenfenster‹ blicken Kosmochemiker in die Vergangenheit des Sonnen­ systems: Es zeigt Dünnschliffe von Meteoriten in polari­ siertem Licht, die in der Regel von Kleinplaneten aus dem Bereich zwischen Jupiter und Mars stammen. In dieser Region des Sonnensystems ist aufgrund der hohen Anziehungskraft von Jupiter ein einzelner größerer Planet nicht stabil. Stattdessen findet man dort noch die ursprünglichen Bausteine der Planeten – Zehntausende Zentimeter bis Kilometer große Körper. In ihren Bruch­ stücken können Kosmochemiker einen Blick auf die Urmaterie des Sonnensystems werfen: Sie finden darin zum Beispiel Gesteinskügelchen (Chondren) aus einer Zeit vor Entstehung der Erde. Meteoriten dokumentieren auch die Geschichte ihrer Mutterkörper: Ihre Struktur ändert sich bei zunehmenden Temperaturen. So kann man an der Körnung ablesen, ob ein Meteorit einmal bei über 900 Grad rekristallisiert oder bei Temperaturen über 1.200 Grad aufgeschmolzen wurde. Max Planck Institute for Chemistry, Mainz 011 Our Home in the Cosmos Theme 11.2.2 Unsere Heimat im All Thema 11.2.2 6 – Cassini and Huygens It took seven years for the vehicle’s successful journey covering the 3.5 billion miles separating the earth from Saturn, via Venus and Jupiter (1). Having reached its destination, Cassini was able to deploy the Huygens probe to the surface of Saturn’s moon Titan, delivering photographs of the ring system­ surrounding the planet, as well as of its 33 moons (Enceladus, 4) – in previously unknown detail. In addition, the probe is relaying back details about temperature, clouds, magnetic fields, and the rotation of the gaseous planet’s atmosphere (2 and 5). Max Planck Institutes are taking part in this mission with four instruments. The Max Planck Institute for Nuclear Physics provided the dust detector Cosmic Dust Analyser (CDA), which analyses the rings of Saturn. The Max Planck Society also developed important components for the DISP camera, with which Huygens ­photographs the surface of Titan (6), as well as Cassini’s Magnetic Imaging Instrument for the analysis of Saturn’s atmosphere. This instrument has allowed scientists to identify ions within the rings and discover a previously unknown radiation belt in the innermost section (3). 1 1 2 3 4 5 6 Cassini und Huygens Sieben Jahre brauchte das technische Erfolgsgespann für die 3,5 Milliarden Kilometer zwischen Erde und Saturn, via Venus und Jupiter (1). Dort setzte Cassini die Sonde Huygens erfolg­reich auf dem Saturnmond Titan ab. Sie lieferte Bilder des Ringsystems um Saturn und seiner 33 Monde (Enceladus, 4) in nie gekannten Details. Außerdem funkt die Sonde Daten über Temperatur, Wolken, Magnetfeld und die Rotation der Atmosphäre des Gasplaneten ­(2 und 5). Max-Planck-Institute sind an dieser Mission mit vier Instrumenten be­teiligt. Vom Max-Planck-Institut für Kernphysik stammt der Staubdektor Cosmic Dust Analyser (CDA), der den Ring des Saturn analysiert. Von der Max-Planck-Gesellschaft ­wurden auch wesentliche­ Teile der Kamera DISR entwi­ckelt, mit der Huygens die Oberfläche des Titan fotografierte (6), sowie das Magnetic Imaging Instrument von Cassini zur Analyse der Saturnatmosphäre. Damit identifizierten Forscher in den Ringen Ionen und entdeckten einen bislang unbekannten Strahlungsgürtel im inneren Teil (3). NASA/JPL/Space Science Institute ESA/NASA/University of Arizona/USA Max Planck Institute for Solar System Research, Katlenburg-Lindau 011 Our Home in the Cosmos Theme 11.2.3 Unsere Heimat im All Thema 11.2.3 4 1 The Red Planet, Closer Than Ever Earth’s red neighbor has come approximately 50 million kilometers closer in the past years – a rarity due to the great eccentricity of Mars’ orbit. These images show Mars from two sides, closer than will be possible for the next 60,000 years: ­ A one-time opportunity to closely explore the Red Planet with probes, satellites and telescopes; and one that the scientists of the Max Planck Society have not passed up. 1 2 Der Rote Planet so nahe wie nie Der rote Nachbar­ planet näherte sich in den vergangenen Jahren der Erde auf etwa 50 Millionen Kilometer, was wegen der großen Exzentrizität der Marsbahn nur selten vorkommt. Diese Bilder zeigen den Mars von zwei Seiten so nahe, wie er der Erde in den kommenden 60.000 Jahren nicht mehr kommen wird. Eine einmalige Gelegenheit, den Roten Planeten mit Sonden, Satelliten und Teleskopen genau zu untersuchen, die sich auch die Wissenschaftler der MaxPlanck-Gesellschaft nicht entgehen ließen. Wasser auf dem Mars Vor fünf Millionen Jahren bildete sich in dieser flachen Mulde auf dem Mars ein See, der bald zufror. Das Wasser stammte vermutlich aus vulka­ nischen Prozessen. Für eine gewisse Zeit bewegten sich noch Eisschollen auf dem Wasser, bis alles bis zum Grund zu Eis wurde – wohl bis auf den heutigen Tag. Das erkennen Astronomen aus Bildern der Mars-ExpressMission, an der auch die Max-Planck-Gesellschaft be­teiligt ist. NASA, J. Bell (Cornell U.) and M. Wolff (SSI) ESA/DLR/Institute for Geographic Sciences of the Free University, Berlin 2 3 4 5 Water on Mars Five million years ago in this flat depression on the surface of Mars a sea was formed, which soon froze solid. The water likely originated from volcanic processes. For a time, ice floes moved on the water’s surface, until the sea was entirely frozen – the state in which it still finds itself today. This discovery was made by astronomers from images sent back by the Mars Express mission, in which the Max Planck Society is also involved. 3 5 Souvenir From Mars The landers Spirit (5) and Oppor­tu­ nity (2, 3) reached Mars in January 2004, sending images­ back to earth. But the rovers were able to do more than just photograph their surroundings – they were also able to chemically analyze them: they carried the Alpha Proton X-ray Spectrometer (APXS), developed at the Max Planck Institute for Chemistry, as well as the Mössbauer Spectrometer from the University of Mainz, with which the mineralogy of ferric compounds could be studied. Souvenir vom Mars Die Lander Spirit (5) und Oppor­ tu­nity (2, 3) erreichten im Januar 2004 den Mars und ­sendeten Bilder zur Erde. Doch die Rover konnten ihre Umgebung nicht nur fotografieren, sondern auch ­chemisch analysieren: An Bord waren Alpha-RöntgenSpektro­meter (APXS), entwickelt am Max-Planck-Institut für Chemie, und Mößbauer-Spektrometer der Universität Mainz, mit denen sich die Mineralogie eisenhaltiger Verbindungen untersuchen ließ. NASA/JPL/Cornell 011 Our Home in the Cosmos Theme 11.2 video Unsere Heimat im All Thema 11.2 video 4 1 1 2 3 4 Dirty Snowballs in the Solar Wind A comet is a large dirty snowball, con­sist­ ing of ice, frozen gases and dust. As it approaches the sun, the outer layer of ice evaporates and a giant gas cloud forms. The dust embedded in the ice is released and forms a curved tail of dust, which shimmers red in the scattered sunlight. The molecules of the dust cloud on the other hand are electrically charged by the sun’s ultraviolet radiation and swept away by the solar wind. They form the long straight plasma tail which fluoresces blue in the sunlight. Schmutzige Schneebälle im Sonnen­ wind Ein Komet ist ein großer schmutziger Schneeball, der aus Eis, gefrorenen Gasen und Staub besteht. Nähert er sich der Sonne, verdampft die äußere Schicht des Eises und eine riesige Gaswolke entsteht. Der im Eis eingelagerte Staub wird frei und bildet einen gekrümmten­ Staubschweif, der im gestreuten Sonnen­ licht rötlich schimmert. Dagegen werden die Moleküle der Gaswolke durch die Ultraviolettstrahlung der Sonne elektrisch aufgeladen und vom Sonnenwind mitgerissen. Sie bilden den langen geraden Plasmaschweif, der im Sonnenlicht bläulich fluoresziert. Max Planck Institute for Astrophysics, Garching 2 Solar Flares Destroy a Comet’s Plasma Tail In photos of the sun’s surface, explosions, or solar flares, are visible as bright areas. They spread out into the solar wind in the form of shockwaves. Researchers are carrying out computer simulations on the effect of this type of shockwave on the plasma tail of a comet. Red areas mark the bright parts of the tail, blue areas the parts with lower light intensity. Most of the tail is blown away by the shockwave. After a few hours, the solar wind returns to its former state and the plasma tail forms anew. Sonnenausbrüche zerstören den Plasma­schweif eines Kometen In einer Aufnahme der Sonnenoberfläche sind Explosionen, so genannte Sonnen­ ausbrüche, als helle Bereiche erkennbar. Sie breiten sich in Form von Stoßwellen in den Sonnenwind hinein aus. Forscher simulieren am Computer die Wirkung einer solchen Stoßwelle auf den Plasmaschweif eines Kometen. Dabei markieren rote Bereiche die hellen Teile des Schweifes, blaue Bereiche die lichtschwächeren. Der größte Teil des Schweifes wird von der Stoßwelle weggerissen. Nach einigen Stunden kehrt der Sonnenwind wieder­ in seinen alten Zustand zurück, der Plasmaschweif bildet sich neu. Max Planck Institute for Astrophysics, Garching 3 Two Sniffer Dogs on Mars The two Mars rovers Spirit and Opportunity have already travelled a number of kilometers over the surface of the red planet. The only instruments on board, providing direct data on the chemical composition of rocks and sediment, come from the Max Planck Institute for Chemistry. The two alpha ray spectrometers (APXS) are each fitted to a controllable arm of the rover. The special­ ist journal ›Science‹ described the evidence they collected that Mars was once warm and damp as the breakthrough of 2004. Zwei Schnüffelnasen auf dem Mars Bereits etliche Kilometer haben die beiden Marsrover Spirit und Opportunity auf der Oberfläche des roten Planeten zurückgelegt. Die einzigen Instrumente an Bord, die direkte Daten über die chemische Zusammensetzung von Gesteinen und Sedimenten liefern, stammen aus dem Max-Planck-Institut für Chemie. Die beiden Alpha-Röntgen-Spektrometer (APXS) sind jeweils auf einem steuerbaren Arm des Rovers untergebracht. Von der Fachzeitschrift ›Science‹ wurden die so gesammelten Beweise, dass der Mars einst warm und feucht war, zum Durch­ bruch des Jahres 2004 erklärt. Max Planck Institute for Chemistry, Mainz Jupiter in a Hail of Comets Within the space of a week in July 1994, the fragments of the Shoemaker Levy 9 comet hurtled into Jupiter’s atmosphere at speeds of over 200,000 kilometers per hour, where they detonated with the energy of several million tonnes of TNT. The heaviest rock produced an explosion cloud twice the size of the Earth’s diameter. A detailed study of the layers ­of atmospheric dust raised provided important information on the chemical composition and structure of Jupiter’s atmosphere. Jupiter im Kometenhagel Im Juli 1994 ­rasten im Verlauf einer Woche die Bruch­ stücke des Kometen Shoemaker-Levy 9 mit Geschwindigkeiten von über 200.000 Kilo­­me­tern pro Stunde in die JupiterAtmo­­sphäre und detonierten dort mit der Energie von einigen Millionen Tonnen TNT. Der schwerste Brocken erzeugte eine Explosionswolke so groß wie der zweifache Erddurchmesser. Das detaillierte Studium der aufgewirbelten Atmosphärenschichten lieferte wichtige Hinweise auf die chemi­ sche Zusammensetzung und den Aufbau der Jupiter-Atmosphäre. Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg 011 Our Home in the Cosmos Theme 11.3.1 Unsere Heimat im All Thema 11.3.1 THE SUN AND SPACE WEATHER SONNE UND WELTRAUMWETTER 1 Flares from the Sun The sun is an enormous fusion reactor: every second, it transforms 6,000 tons of matter into pure radiation. Every now and again, it emits plasma that is relatively cool - at only 60,000 degrees Kelvin. These emissions often form an arc along the sun’s magnetic field, towering into space at a distance several dozens more than earth’s diameter. A part of this leaves the sun and races through the entire planetary system. Astrophysicists at the Max Planck Institute for Solar System Research are attempting to understand the ­pro­cesses which give rise to these bursts of energy. How is the corona below the sun’s surface heated to more than a million degrees Kelvin? What does the complex ­magnetic field of the sun look like? Which rays does it produce? 1 2 3 Flares aus der Sonne Die Sonne ist ein riesiges Fu­sions­ kraftwerk: In jeder Sekunde verwandelt sie 6.000 Tonnen Materie in reine Strahlung. Von Zeit zu Zeit stößt sie Plasma aus, das mit 60.000 Kelvin relativ kühl ist. ­ Dieses folgt oft in Bögen dem Sonnenmagnetfeld und wird dabei mehrere Dutzend Erddurchmesser weit in den Weltraum geschleudert. Ein Teil verlässt die Sonne und rast durch das ganze Planetensystem. Astrophysiker am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung versuchen die Prozesse zu verstehen, die solchen Energie­ ausbrüchen zugrunde liegen. Wie wird die Korona unterhalb der Sonnenoberfläche auf über eine Million Kelvin aufgeheizt? Wie sieht das komplexe Magnetfeld der Sonne aus? Welche Ströme ruft es hervor? SOHO (ESA & NASA) 2 3 A Complex Magnetic Field With the help of an infrared spectropolarimeter at the German Vacuum Tower Telescope (VTT) on Tenerife, researchers were able for the first time to photograph the direction and strength of the magnetic field in the lower corona of the sun. They could thus demonstrate that the field undergoes instantaneous shifts at that level, and also proved that the ­magnetic field’s edges are close enough together that they can spontaneously realign themselves. This ›reconnection‹ is responsible for the storage and often explosive emission of magnetic energy, which heats the plasma and charges cosmic particles to high levels.­ Moreover, the magnetic corset ensures that the hot gas trapped therein does not immediately escape from the Sun. ›Magnetohydrodynamics‹, which describes the processes within magnetic fields, is therefore a key subject of interest for researchers. It is used not only to help understand the sun, but other stars as well – and one day, ­perhaps, the knowledge may even be of use in the ­construction of a fusion reactor on earth. Ein komplexes Magnetfeld Mithilfe eines Infrarot­Spek­tro­polarimeters am deutschen Vakuum Turm ­Teleskop (VTT) auf Teneriffa gelang es den Forschern ­erstmals Rich­­tung und Stärke des Magnetfeldes in der unteren Korona zu fotografieren. So konnten sie zeigen, dass sich das Magnetfeld dort sprunghaft verändert. Und sie wiesen nach, dass die Magnetfeldlinien so nah zusammen liegen, dass sie sich neu verbinden können. Diese ›Rekonnexion‹ steuert die Speicherung und oft explosive Freisetzung magnetischer Energie. Sie heizt das Plasma und be­schleunigt kosmische Teilchen auf hohe Energien. Das magnetische Korsett sorgt außerdem dafür, dass das darin gefangene heiße Gas nicht sofort von der Sonne entweicht. Die ›Magnetohydrodynamik‹, die die Vorgänge im Magnetfeld beschreibt, ist daher ein Schlüsselthema für die Forscher. Mit ihrer Hilfe will man nicht nur die Sonne verstehen, sondern auch andere Sterne – und vielleicht nützt das Wissen eines Tages sogar beim Bau eines irdischen Fusionskraftwerks. Jack Newton, Arizona Sky Village Max Planck Institute for Solar System Research, Katlenburg-Lindau 011 Our Home in the Cosmos Theme 11.3.2 Unsere Heimat im All Thema 11.3.2 1 1 2 2 A Space Suit for the Earth Solar wind sometimes has a strong influence on the earth: it can disrupt communication and navigation systems (e. g. satellites) and have impact on the climate. Using the LASCO coronagraph on the Soho space observatory – a telescope developed by the Max Planck Society that detects only the weakly glowing layer surrounding the sun – scientists have the sun’s corona under observation round-the-clock. With the collected data, they would like to understand how the sun is heated, and how solar wind is accelerated, sometimes so strongly that it buckles the earth’s magnetosphere. A Telescope in a Balloon Since the atmosphere on the surface of the earth is very often disturbed by turbulence, astronomers at the Max Planck Institute for Solar System Research want to move even further out: a light telescope, a magnetometer and other instruments are to be dispatched aloft, 30 to 40 kilometers above the ground. The project called Sunrise is meant to deliver data about the sun’s magnetosphere, and photograph the surface at a resolution as close as 35 kilometers. In this way, researchers also hope to understand other stars – after all, the sun is the only star that mankind can closely study. Ein Raumanzug für die Erde Der Sonnenwind beeinflusst die Erde zeitweise stark: Er stört Kommunikationsund Navigationseinrichtungen (etwa Satelliten) und beeinflusst das Klima. Mit dem Koronoskop LASCO im Weltraumobservatorium Soho – einem Teleskop, das nur die schwach leuchtende Umgebung der Sonne auf­nimmt, und das in der Max-Planck-Gesellschaft ent­ wickelt wurde – haben Astronomen die Korona der Sonne rund um die Uhr im Blick. Mit den Daten, die sie damit sammeln, wollen sie verstehen, wie die Sonne geheizt und der Sonnenwind beschleunigt wird, der mitunter so stark ist, dass er die Magnetosphäre der Erde verbiegt. Ein Teleskop im Ballon Weil die Atmosphäre der Erde am Boden oft durch Turbulenzen gestört ist, wollen­ Astro­nomen des Max-Planck-Instituts für Sonnen­sys­ tem­­forschung höher hinaus: Ein leichtes Teleskop, ein Magnetometer und andere Instrumente werden mit einem Ballon in 35 bis 40 Kilometer Höhe gehoben. Das Projekt mit dem Namen Sunrise soll Daten über die Magneto­sphäre der Sonne liefern und die Oberfläche bis auf 35 Kilometer Auflösung fotografieren. Damit wollen die For­scher auch andere Sterne verstehen – schließlich ist die Sonne der einzige Stern, den Menschen so genau unter die Lupe nehmen können. ESA Max Planck Institute for Solar System Research, Katlenburg-Lindau 011 Our Home in the Cosmos Theme 11.3.3 Unsere Heimat im All Thema 11.3.3 1 Viewing the Interior of a Sunspot Sunspots have been known to mankind for millennia. But their origins – and their stability in particular – long remained a mystery. The Soho solar observatory, however, allows us to look inside the sun, to follow the formation of sun spots before they are visible on the surface. This is accomplished by measuring the speed of sound in the sun (photo), and using this to calculate the flow of matter. Blick ins Innere eines Sonnenflecks Sonnenflecken sind seit Jahrtausenden bekannt. Doch ihre Entstehung – und vor allem ihre Stabilität – war lange ein Rätsel. Mit dem Sonnenobservatorium Soho kann man jedoch­ einen Blick ins Sonneninnere werfen und die Ent­ste­ h­ung­von Sonnenflecken verfolgen, bevor sie auf der Oberfläche sichtbar werden. Dazu vermisst man die Schallgeschwindigkeit in der Sonne (Bild) und errechnet damit die Strömung der Materie. SOHO (ESA & NASA) 2 3 Active Sun The present level of sunspot activity, in terms of size and frequency of sunspot occurrence, has not been seen in our sun for 8,000 years. Researchers at the University of Oulu and the Max Planck Institute for Solar System Research discovered this by measuring the levels of solar beryllium in Antarctic ice core samples. They also discovered that, in the past, changes in the sun indeed accompanied climactic fluctuations. However, the scientists are also certain that only a small amount of global warming can be attributed to the current high level of solar activity. Aktive Sonne Derzeit sind Sonnenflecken auf der Sonne so groß und häufig, wie seit 8.000 Jahren nicht mehr. Forscher der Universität Oulu und des MaxPlanck-Instituts für Sonnensystemforschung fanden das heraus,­indem sie das solare Beryllium in antarktischen Eisbohrkernen maßen. Sie entdeckten zudem, dass in der Vergangenheit tatsächlich Veränderungen der Sonne mit Klimaschwankungen parallel liefen. Allerdings sind sich die Wissenschaftler auch sicher, dass die derzeitig hohe Aktivität der Sonne nur für einen kleinen Teil der Erderwärmung verantwortlich sein kann. Jack Newton, Arizona Sky Village Max Planck Institute for Solar System Research, Katlenburg-Lindau and Kiepenheuer Solar Physics Institute, Freiburg im Breisgau 1 2 3 011 Our Home in the Cosmos Theme 11.3 video Unsere Heimat im All Thema 11.3 video 4 1 1 2 3 4 Magnetic Fields and Currents on the Sun’s Surface The disk of the Sun looks calm and smooth up in the sky above the Earth. In reality however, the surface of our central star, with a temperature of 5,800 degrees, is constantly in motion. From the Sun’s interior, magnetic fields rise up, which combine with the currents on the surface and the radiation emitted by the Sun to form a complex system. In the resulting honeycomb-like structure of the Sun’s surface, hollows form in many places, through which researchers can see several hundred kilometers deep into the Sun’s interior. Magnetfelder und Strömungen auf der Sonnenoberfläche Ruhig und gleichmäßig erscheint die Sonnenscheibe am Erdhimmel. In Wirklichkeit jedoch ist die 5.800 Grad heiße Oberfläche unseres Zentralsterns ständig in Bewegung. Aus dem Inneren der Sonne steigen Magnetfelder auf, die zusammen mit den Strömungen an der Oberfläche und der von der Sonne ausgesandten Strahlung ein komplexes System bilden. In der entstehenden wabenartigen Struktur der Sonnenoberfläche bilden sich an manchen Orten Senken, durch die die Forscher etliche Hundert Kilometer tief ins Sonneninnere blicken können. Max Planck Institute for Solar System Research, Katlenburg-Lindau 2 The SOHO Solar Observatory in Space We consider the 5,800 degree temperature on the sun’s surface to be fiendishly hot. But even that is cool compared to the corona above it, which contains gas with a temperature of over one million degrees. The corona is visible as a shining cover or crown during solar eclipses. The SOHO space probe creates­ it own solar eclipse by covering the sun with an appropriately sized disk. Max Planck researchers played an important part in the construction of its LASCO tele­ scope (Large Angle and Spectrometric Coronagraph). Das Sonnenoberservatorium SOHO ­ im Weltraum Schon die 5.800 Grad, die auf der Sonnenoberfläche herrschen, erscheinen uns als höllische Temperatur. Doch das ist noch kühl im Vergleich zu der darüber liegenden Korona, die Gas mit einer Temperatur von mehr als einer Million Grad enthält. Die Korona kann man bei Sonnenfinsternissen als leuchtende Hülle oder Krone beobachten. Die Raumsonde SOHO erzeugt ihre eigene Sonnenfinsternis, indem sie die Sonne mit einer Scheibe geeigneter Größe abdeckt. Am Bau ihres Teleskops LASCO (Large Angle and Spectrometric Coronagraph) waren Max-Planck-Forscher maßgeblich beteiligt. Max Planck Institute for Solar System Research, Katlenburg-Lindau 3 From Ice and Old Books They are usually bigger than the Earth and have become extremely common in the last sixty years: sunspots. Here, the energy supply from the Sun’s interior is impeded by strong magnetic fields, with the result that these areas cool down by around 1,500 degrees and appear dark in contrast to their surroundings. Max Planck researchers have now managed to trace sunspot activity back to the year 850, using historical drawings and analyzing ice drill cores. Their results show that the sun has been at its most active since 1940, with an interim maximum between 1100 and 1250. Aus Eis und alten Büchern Sie sind meist größer als die Erde und in den letzten sechzig Jahren besonders häufig: Sonnen­flecken. Hier ist die Energie­ver­ sorgung aus dem Inneren durch starke Magnetfelder behindert, so dass diese Gebiete um etwa 1.500 Grad abkühlen und dunkel erschei­nen­im Kontrast zu ihrer Umgebung. Max-Planck-­Forscher konnten nun die Aktivität der Sonnen­ flecken mit Hilfe von histo­rischen Auf­zeich­nungen und Analysen von Eisbohrkernen bis ins Jahr 850 zurückverfolgen. Das Ergebnis: Seit 1940 ist die Sonne am aktivsten, zwischen 1100 und 1250 gab es ein Zwischenmaximum. Max Planck Institute for Solar System Research, Katlenburg-Lindau Shield From the Earth’s Core Electrically charged particles from the Sun hurtle towards Earth, travelling 500 kilometers every second. The Earth’s magnetic field, which diverts most of the particles around our planet, protects us from this permanent solar wind. The solar wind blows the field lines of the Earth’s magnetic field together on the side turned towards the Sun and distorts them on the side turned away from the Sun into a tail a million kilometers long. The few particles that penetrate into the atmosphere along the field lines land at the two Poles, where they produce the Northern and Southern Lights. Schutzschild aus dem Erdkern Elektrisch geladene Teilchen von der Sonne, die auf die Erde zurasen, legen in jeder Sekunde 500 Kilometer zurück. Vor diesem ständi­ gen Sonnenwind schützt uns das Erd­ magnetfeld, das die meisten Teilchen um unseren Planeten herumleitet. Der Sonnen­wind bläst die Feldlinien des Erdmagnetfeldes auf der sonnenzugewandten Seite zusammen und verformt sie auf der abgewandten Seite zu einem Millionen Kilometer langen Schweif. Die wenigen Teilchen, die entlang den Feldlinien in die Atmosphäre eindringen, landen an den beiden Polen und erzeugen dort die Nordlichter. Max Planck Institute for Astrophysics, Garching 011 Our Home in the Cosmos Participating Institutes and Partners Unsere Heimat im All Beteiligte Institute und Partner Research Institutes Forschungsinstitute Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching Max Planck Institute for Solar System Research, Katlenburg-Lindau European Space Agency (ESA) National Aeronautics and Space Administration (NASA) International Research Schools Internationale Graduiertenschulen IMPRS on Physical Processes in the Solar System and Beyond, Katlenburg-Lindau Institute for Solar Physics of the Royal Swedish Academy of Sciences This area is supported by Dieser Bereich wird unterstützt durch
