Sonnensystem: Das R舩sel der anomalen kosmischen Strahlung

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SONNENSYSTEM
Das R舩sel der anomalen kosmischen Strahlung
von Hans Zekl
f?r astronews.com
21. Februar 2006

Als die Sonde Voyager 1 im Dezember 2004 den Rand des Sonnensystems erreichte, erlebten die Astronomen eine Entt舫schung. Sie hatten gehofft, dort die Quelle der anomalen kosmischen Strahlung zu finden. Stattdessen stellte sich heraus, dass alle theoretischen ワberlegungen der letzten 20 Jahre falsch waren. Doch jetzt scheinen zwei Forscher eine Erkl舐ung gefunden zu haben.

[画像:Heliosph舐e]

Die Form der Heliosph舐e hat entscheidenden Einfluss auf die Beschleunigung der Teilchen. Danach entsteht die anomale kosmische Strahlung in den seitlichen Bereichen der die Sonne umgebenden Heliosph舐e. Bild: Geophysical Research Letters [Komplettansicht]

Vor nahezu 100 Jahren fand der ?sterreichische Physiker bei Ballonfl?gen Hinweise auf eine energiereiche Strahlung aus dem Weltraum, die kosmische Strahlung oder H?henstrahlung, wie sie damals genannt wurde. Sie besteht im Gegensatz zu Licht oder R?ntgenstrahlen nicht aus elektromagnetischen Wellen, sondern aus Teilchen mit sehr hohen Geschwindigkeiten.

Die ?berwiegende Mehrheit bilden elektrisch geladene Protonen und Alpha-Teilchen, Heliumkerne, w臧rend Elektronen nur rund drei Prozent ausmachen. Sp舩er entdeckten Forscher eine relativ energiearme Komponente der kosmischen Strahlung, die vorwiegend aus elektrisch geladenen Helium-, Sauerstoff-, Neon- und Stickstoffatomen, also Ionen, besteht, die so genannte anomale kosmische Strahlung.

W臧rend die Quellen der normalen, galaktischen kosmischen Strahlung bis heute unbekannt sind, entwickelten Wissenschaftler in den letzten 20 Jahren Modelle f?r den Ursprung des anomalen Bestandteils. Danach entsteht er im ワbergangsbereich zwischen unserem Sonnensystem und dem interstellaren Medium. Pro Sekunde schleudert unsere Sonne etwa eine Million Tonnen Elektronen, Protonen und Ionen in den Weltraum.

An der Erde weht dieser Sonnenwind mit einer mittleren Geschwindigkeit von 400 Kilometern pro Sekunde. Darin eingefroren wird das solare Magnetfeld mitgeschleppt. In einer Entfernung von etwa 100 Astronomischen Einheiten, dem hundertfachen Erdabstand von der Sonne, trifft dieser Teilchenwind auf das umgebende interstellare Medium, durch das sich die Sonne mit rund 25 Kilometern pro Sekunde bewegt. Dort wird der Sonnenwind rasch abgebremst und es bildet sich eine so genannte Sto?front.

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Im Grenzbereich zwischen der Heliosph舐e, dem Bereich, in dem der Einfluss der Sonne dominiert, und dem interstellaren Medium sollte die anomale kosmische Strahlung entstehen. Neutrale Atome, die von Magnetfeldern nicht beeinflusst werden, dringen dabei tief in die Heliosph舐e ein, werden aber durch die UV-Strahlung der Sonne und St??e mit Elektronen elektrisch aufgeladen. Das Magnetfeld im Sonnenwind transportiert sie dann zur?ck zur Sto?front, wo sie dann beschleunigt werden und als anomale kosmische Strahlung dann zur Erde gelangen.

Soweit die Theorie: Nur, als die Sonde Voyager 1 die Sto?front passierte, fand sie nur wenige Teilchen. "Die Modelle zeigten, dass wir die Energiequelle der anomalen kosmischen Strahlung in der Sto?front sehen sollten," erl舫terte David McComas vom Southwest Research Institute den Befund. "Wir waren uns ziemlich sicher, dass wir wussten, was wir finden w?rden. Aber als wir dort ankamen, war alles ganz anders und sicher war dort nicht der Ursprung der Strahlung." Offenbar war also die Vorstellung der Astronomen falsch.

Mit einer neuen Theorie, die in der Ausgabe vom 17. Februar der Fachzeitschrift Geophysical Research Letters ver?ffentlicht wurde, meinen die Wissenschaftler McComas und Nathan Schwadron von der Boston University das Problem gel?st zu haben. Sie fanden heraus, dass die Form der Sto?front im Gegensatz zu den bisherigen Annahmen von entscheidender Bedeutung ist. Voyager 1 traf den Rand der Heliosph舐e in der N臧e des vorderen Endes.

Das Modell der beiden Wissenschaftler sagt f?r diesen Fall tats臘hlich nur wenige Teilchen der anomalen Strahlung voraus. Da sich das Sonnensystem durch das interstellare Medium bewegt, kann die Heliosph舐e nicht kugelf?rmig sein. "Durch den Staudruck in Flugrichtung besitzt sie eine abgeflachte eif?rmige Form," erkl舐te Schwadron. "Die abgeflachte Nase sorgt daf?r, dass die Beschleunigung zeitabh舅gig ist."

Die Rechnungen der beiden Wissenschaftler zeigen, dass sich die Teilchen der anomalen Strahlung etwa 300 Tage in der N臧e der Stelle aufhalten, an der die Feldlinien des Magnetfelds der Sonne auf die Sto?front treffen. Die Kontaktstelle wandert dann im Laufe der Zeit seitlich nach hinten. Dabei gewinnen die Strahlungsteilchen an Energie. Deshalb befindet sich nach McComas und Schwadron der eigentliche Ursprung der anomalen kosmischen Strahlung an den Flanken der Heliosph舐e.

Voyager 2 wird in den n臘hsten zwei bis drei Jahren ebenfalls auf die Sto?front treffen, allerdings mehr seitlich als ihre Schwestersonde. Nach dem neuen Modell sollte sie deshalb deutlich mehr Teilchen registrieren, ein erster Test der Theorie. Genaueres erhoffen sich Forscher vom Interstellar Boundary Explorer (IBEX), der im Sommer 2008 gestartet werden soll. Mit ihm wird es erstmals m?glich sein, ein globales Bild der Vorg舅ge in verschiedenen Bereichen der Schockfront zu erhalten.

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Voyager, Homepage am JPL
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