Am 10. Oktober 1946 wurde eine erbeutete V-2-Rakete vom amerikanischen Militärgelände White Sands in New Mexico gestartet. Die Rakete trug keinen Sprengkopf, war aber mit einem Spektrographen ausgestattet, der erstmals dazu diente, Aufnahmen unserer Sonne im ultravioletten Spektralbereich von 290–230 nm zu machen, deren Wellen in der unteren Atmosphäre absorbiert und absorbiert werden die Erdoberfläche nicht erreichen. Dieses Datum kann als Geburtstag der Weltraum-Sonnenastronomie betrachtet werden.
Zu Beginn des Weltraumzeit alters war viel über die Sonne bekannt. Wissenschaftler hatten eine gute Vorstellung von seiner Zusammensetzung (hauptsächlich Wasserstoff und Helium) und dem Mechanismus der Energieerzeugung (thermonukleare Reaktionen). Archiviert wurden Daten zu Sonnenflecken und Flares, Magnetfeldern und Radiorauschen, Temperatur der äußeren Schichten (Photosphäre, Chromosphäre und Sonnenkorona), Dynamik des solaren und zirkumsolaren Plasmas, koronalen Gasaustritt (Sonnenwind) und dessen Einfluss auf die Magnetosphäre der Erde angesammelt. Viele tiefe Verbindungen zwischen diesen Phänomenen wurden jedoch erst im Prozess systematischer Beobachtungen der Sonne mit auf Weltraumplattformen installierten Geräten hergestellt.
Windlicht
In den 1960er Jahren war die vielleicht wichtigste Richtung der Weltraum-Sonnenastronomie das Studium des Sonnenwinds. Dieses Phänomen wurde bereits 1916 von dem norwegischen Geophysiker (siebenfacher Nobelpreisträger) Christian Birkeland auf qualitativer Ebene vorhergesagt (und drei Jahre später kam der Oxford-Professor für Physik Frederick Lindeman, später wissenschaftlicher Chefberater von Churchills Militärkabinett, auf die Idee gleiche Schlussfolgerung).1951 entwickelte der deutsche Astronom Ludwig Biermann ein dynamisches Modell der Sonnenkorona, aus dem die Existenz einer radialen Strömung geladener Teilchen folgte. Sieben Jahre später veröffentlichte der Amerikaner Eugene Parker eine vollständigere Theorie dieses Stroms, den er "Sonnenwind" nannte. Parker zeigte, dass die Sonnenkorona eine Quelle radialer Teilchenstrahlen ist, hauptsächlich Protonen und Elektronen, die, wenn sie sich von der Sonne entfernen, nicht langsamer werden, sondern beschleunigen! Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass das Plasma mit abnehmender Gravitationskraft von der Unterschallbewegungsart in die Überschallbewegung übergeht, genau wie es in der Laval-Düse geschieht. Parkers Schlussfolgerungen schienen so paradox, dass sein Manuskript von zwei Gutachtern abgelehnt und nur auf Beschluss des Herausgebers des Astrophysical Journal, des berühmten Chandrasekhar, veröffentlicht wurde.
Die Existenz des Sonnenwinds wurde erstmals 1959-1961 experimentell durch direkte Messung interplanetarer Plasmaparameter durch die sowjetischen automatischen Stationen Luna-1, Luna-2 und Venera-1 bestätigt (die Experimente wurden vom Chef beaufsichtigt Konstrukteur des Funksenders des ersten Satelliten, Konstantin Gringauz, damals Leiter der Abteilung für Weltraumforschung am Institut für Funktechnik der Akademie der Wissenschaften der UdSSR). Die von Parker vorhergesagte Beschleunigung der Sonnenwindteilchen wurde vom Plasmaspektrometer der im August 1962 gestarteten amerikanischen Venussonde Mariner-1 überzeugend aufgezeichnet. Später wurden durch die Bordausrüstung der amerikanischen Explorer-Satelliten und Pioneer-Raumsonden neue umfangreiche Daten zum Sonnenwind gewonnen.
Sonnenwind
Es ist jetzt bekannt, dass die Teilchen der Korona ihre Bewegung von der Sonne aus mit Geschwindigkeiten in der Größenordnung von Hunderten von Metern pro Sekunde beginnen. In einer Entfernung von mehreren Sonnenradien erreichen sie Schallgeschwindigkeit (100-150 km/s) und in der Nähe der Erdumlaufbahn - von 300-400 km/s (typische Werte) bis 800 km/s. Emissionszentren des Sonnenwindes sind die sogenannten Koronallöcher, eine Art Hohlraum innerhalb der Korona, aus denen magnetische Feldlinien ins Weltall austreten. Diese Strukturen wurden bereits 1957 entdeckt, aber ihr Zusammenhang mit dem Sonnenwind wurde erst in den 1970er Jahren geklärt.
Erste Schritte
Seit 1960 haben die USA zahlreiche spezialisierte wissenschaftliche Satelliten zur Beobachtung der Sonne gestartet. Das erste davon war das 19 Kilogramm schwere SOLRAD-1, das die Sonnenstrahlung aufzeichnen sollte. Insgesamt wurden 10 solcher Fahrzeuge im Rahmen von Navy-Projekten in den erdnahen Weltraum geschickt. Im März 1962 brachte die NASA den 200 Kilogramm schweren Satelliten Orbiting Solar Observatory-1 (OSO-1) in die Umlaufbahn, gefolgt von schwereren Fahrzeugen der Serie (das letzte, OSO-8, im Jahr 1975). Diese Observatorien waren mit UV- und Röntgenteleskopen und Gammastrahlenzählern ausgestattet. Die Messwerte der Instrumente ermöglichten es herauszufinden, dass Sonneneruptionen nicht nur im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Bereich leuchten, sondern auch als Quelle für geladene Teilchen, Radiowellen und Röntgenstrahlen und manchmal sogar für Gammastrahlung dienen.
Die neuesten Modifikationen der Stationen der OSO-Serie hatten ein erhebliches Gewicht: OSO-7 - 635 kg, OSO-8 - 1066 kg. Aber selbst im Vergleich zu ihnen schien das im Februar 1980 in die Umlaufbahn gebrachte NASA-Sonnenobservatorium ein Riese zu sein - eine Masse vor dem Flug von 2,4 Tonnen! Es sollte die Sonne während der Zeit maximaler Aktivität überwachen, daher der Name Solar Maximum Mission (SMM oder Solar Max).
Diese Station hatte kein leichtes Schicksal. Weniger als ein Jahr nach dem Start fiel eines der vier Gyroskope aus und die Führung der Ausrüstung wurde unmöglich. Der NASA gelang es nicht, die Probleme bald zu beheben: Erst im April 1984 nahm die Besatzung der Raumsonde Challenger die Station wieder in Betrieb. Leider konnte das einzigartigste seiner Instrumente, das weltweit erste Teleskop zur Beobachtung der Sonne mit hochenergetischen Röntgenstrahlen, nicht repariert werden.
Das wichtigste Ergebnis der Arbeit von SMM war die Bestimmung der Sonnenkonstante mit bisher unerreichter Genauigkeit. Sein Wert hängt von der Aktivität der Sonne ab, aber seine Schwankungen betragen Zehntelprozent. Eine Analyse von Langzeitmesswerten des Bordradiometers der SMM-Station zeigte, dass die Sonnenkonstante am Höhepunkt der Sonnenaktivität zunimmt, wenn die Anzahl der Sonnenflecken besonders hoch ist. Dies überraschte Experten, da die Temperatur der Flecken 1,5 bis 2 Tausend Grad unter der Durchschnittstemperatur der Sonnenoberfläche liegt. Die Flecken sind jedoch von leichteren (daher heißen) faserigen Strukturen umgeben – photosphärischen Federn. Wenn die Spots die Gesamtleistung der Sonnenstrahlung verringern, dann erhöhen die Fackeln sie, und zwar etwas stärker, sodass die Bilanz positiv ist. Dies wurde schließlich Ende der 1980er Jahre bewiesen, und die mit SMM erzielten Ergebnisse sahen nicht mehr wie ein Paradoxon aus.
Lagrange-Punkte
Lagrange-Punkte (oder Librationspunkte) sind Punkte in der Ebene der gegenseitigen Zirkulation zweier massiver Körper, bei deren Auftreffen der dritte Körper geringer Masse seine Position relativ zu diesem Paar nicht ändert. Es gibt nur fünf solcher Punkte, und die ersten drei davon sind instabil (ein Schiff, das in der Nähe eines von ihnen gestartet wird, kann dort nur bleiben, indem es seine Flugbahn mit Bordmotoren anpasst).
Die Früchte der Miniaturisierung
Ein Jahr nach dem Start der SMM schickten japanische Wissenschaftler ein kleines (195 kg) Sonnenobservatorium Astro A (ein anderer Name ist Hinotori, „Phönixvogel“) in den erdnahen Weltraum, das bis Juli 1991 bestand. Anderthalb Monate nach ihrem Tod flog eine fortschrittlichere Yonkoh-Station („Sonnenstrahl“) vom selben Kosmodrom Kagoshima ins All. Bei einem sechsmal geringeren Gewicht als der Solar Max waren seine Fähigkeiten dank der hochmodernen Füllung in etwa gleich. Eines der beiden Yonkoh-Teleskope arbeitete im harten Röntgenbereich, das zweite war auf weiche Röntgenstrahlung und blaue Photonen mit einer Wellenlänge von 460–480 nm abgestimmt. Die Station trug auch ein Paar Röntgenspektrometer, von denen eines auch Gammastrahlung registrierte. Nach 10 Jahren erfolgreichen Betriebs verlor Yonkoh am 14. Dezember 2001 während einer Sonnenfinsternis seine Ausrichtung zur Sonne, seine Batterien gingen aus und es wurde funktionsunfähig. Es wird bald durch das neue japanische Orbitalobservatorium Solar-B ersetzt.
Der Sonnenwind breitet sich entlang der Magnetfeldlinien der Sonne aus (rot). Das eigene Magnetfeld der Erde (blaue Linien) lenkt geladene Teilchen ab. Das Bild zeigt auch drei Satelliten zur Untersuchung des Sonnenwinds - Ulysses, SOHO und ERS.
Ulysses: Eine Weltraum-Odyssee
Die Bahnen aller künstlichen Trabanten der Erde liegen wie die Bahn unseres Planeten in der Ebene der Ekliptik. Um seine Grenzen zu überschreiten, begann Ludwig Birman bereits 1965, den Start eines unbemannten Fahrzeugs zu durchbrechen, das in der Lage war, die Sonne "von anderen Seiten" zu betrachten. Später wurde diese Idee von der European Space Research Organization und der NASA unterstützt. 1979 wurde sogar ein Memorandum über den Start amerikanischer und europäischer Sonnenobservatorien unterzeichnet, die die Sonnenpole überfliegen und mehr oder weniger senkrecht zur Ekliptik emittierte koronale Teilchen nachweisen sollten. Zwei Jahre später weigerte sich die NASA aus finanziellen Gründen, an diesem Projekt teilzunehmen, was zu ernsthaften Komplikationen in ihren Beziehungen zu europäischen Partnern führte. Trotzdem beschloss die ESA, den Bau ihrer Station Ulysses (" Ulysses") abzuschließen, und 1984 war sie vollständig fertig.
Es ist unmöglich, ein solches Bild in der Realität zu sehen. Dies ist eine Kombination aus zwei Einzelbildern: der Sonne, aufgenommen in einem schmalen Spektralbereich (in der Mitte), und der Korona, die um die Koronographenscheibe herum sichtbar ist.
Das Raumschiff musste sechs Jahre warten, bis die NASA es mit dem Discovery-Shuttle in die Erdumlaufbahn schickte. Dann sch altete die 367 Kilogramm schwere Sonde die Haupttriebwerke ein und erreichte im Februar 1992 die Nähe von Jupiter. Im Gravitationsfeld des Riesenplaneten beschleunigt, sprang Ulysses fast senkrecht aus der Ebene der Ekliptik und passierte im August 1994 in einer Entfernung von 330 Millionen km den Südpol der Sonne. Dann überquerte er erneut die Ebene der Ekliptik und überflog im Juli 1995 den nördlichen Sonnenpol. Gleichzeitig funktionierte die Ulysses so einwandfrei, dass sie auf den zweiten Kreis gehen und erneut über die Sonnenpole fliegen durfte (in den Jahren 2000 und 2001). Wenn es keine Überraschungen gibt, wird er im Februar 2007 wieder von Süden auf die Sonne schauen und im Januar 2008 - von Norden.
Ulysses' Aufgaben beschränken sich nicht darauf, den Sonnenwind zu verfolgen, der außerhalb der Ebene der Ekliptik weht. Seine Ausrüstung bestimmt die Parameter kosmischer Magnetfelder und die Dichte von interplanetarem und interstellarem Staub, überwacht die Röntgenstrahlung der Sonne und kosmische Gammablitze und versucht sogar, Gravitationswellen zu registrieren.
Änderung der Korona, wenn wir uns dem Höhepunkt der Sonnenaktivität nähern. Auf der horizontalen Achse – Zeit (Jahre), auf der vertikalen Achse – die Anzahl der Spots.
Raum Soho
Das Wort „Soho“lässt Astronomen nicht mit einem der Londoner Stadtteile assoziieren, sondern mit der Abkürzung SOHO, SOlar and Heliospheric Observatory. An der Entwicklung der wissenschaftlichen Ausrüstung dieser ESA-Station waren die USA, Russland und Japan beteiligt. Am 2. Dezember 1995 brachte ihn die amerikanische Rakete Atlas II-AS in den erdnahen Weltraum, von wo aus die 1850 Kilogramm schwere Station ihre eigenständige Reise antrat. Am 14. Februar, sechs Wochen vor dem geschätzten Datum, trat es in die berechnete Umlaufbahn um den Lagrange-Punkt L1 ein, der 1,5 Millionen km von unserem Planeten entfernt auf der Verbindungslinie zwischen Erde und Sonne liegt.
Im Februar 1999 wurden die Bordcomputer von SOHO mit neuen Programmen geladen, die es ermöglichten, seine Instrumente mit Sternorientierung auszurichten. Jetzt ist das Observatorium voll einsatzfähig, obwohl alle drei Gyroskope seit langem außer Betrieb sind – dies ist der erste Fall einer Präzisionsstabilisierung eines Raumfahrzeugs ohne die Hilfe von Gyroskopen. Gut möglich, dass er noch lange seinen Dienst verrichtet, denn er hat genug Brennstoff für zehn Jahre oder noch mehr.
Sonnenkonstante
Astronomen verwenden diesen Begriff, um den Fluss der Sonnenstrahlung zu bezeichnen, der pro Zeiteinheit durch eine Flächeneinheit senkrecht zu den Strahlen geht, die sich im offenen Raum in einer Entfernung von einer astronomischen Einheit von der Sonne befindet (d Höhe der Erdumlaufbahn). Die Sonnenkonstante kann auch auf der Erdoberfläche gemessen werden, aber in diesem Fall muss die Absorption von Strahlen in der Atmosphäre korrigiert werden, was eine Quelle schwerwiegender Fehler ist. Die Gesamtmenge an Strahlungsenergie, die unser Planet von der Sonne erhält, hängt vom Wert der Sonnenkonstante ab, daher ist dieser Indikator nicht nur für Astronomen, sondern auch für Geophysiker, Ökologen, Meteorologen und natürlich Klimatologen von Interesse. Klimamodelle zeigen übrigens, dass eine Erhöhung der Sonnenkonstante um nur ein Prozent die durchschnittliche Jahrestemperatur der Erdoberfläche um ein bis zwei Grad erhöht.
SOHO fällt nie in den Schatten unseres Planeten und kann daher die Sonne kontinuierlich beobachten. Um den Lagrange-Punkt rotiert er in einer Ellipse mit einer großen Halbachsenlänge von etwa 300.000 km. Es passiert also nicht die Sonnenscheibe, was den Empfang seiner Signale vor dem Hintergrund des solaren Funkrauschens erleichtert.
Auf einem Zentauren reiten
SOHO wurde von einer zweistufigen Atlas-IIAS-Rakete (Atlas/Centaur) in die Umlaufbahn gebracht.
SOHOs wissenschaftliche Ausrüstung besteht aus 12 Instrumenten mit einem Gesamtgewicht von 610 kg. Vier Installationen überwachen den Sonnenwind, fünf überwachen die Sonnenatmosphäre und die Korona und drei untersuchen die Seismizität unseres Gestirns – die Struktur und Struktur seines Darms. „Ich denke, die Haupterfolge von SOHO liegen im Bereich der Helioseismologie, der Untersuchung von Schallwellen, die in den Tiefen der Sonne geboren werden und ihre Oberfläche erreichen. Diese Wellen tragen viele Informationen über die Struktur und Dynamik des Sonneninneren. Ich denke, wenn das neue Gerät zur Untersuchung des Sonneninneren, das Solar Dynamics Observatory (SDO), SOHO zu Hilfe kommt, werden wir noch weiter vorankommen können.“So bewertet der wissenschaftliche Koordinator des amerikanischen Teils des Programms, William Wagner, die Arbeit der Sternwarte. „Neben der Sonnenbeobachtung hat sich SOHO übrigens als äußerst produktiver Assistent für Kometenjäger erwiesen. Im vergangenen August erreichte die Gesamtzahl solcher Kometenentdeckungen 1.000 und wächst weiter.“
Montage der Sternwarte
Sonnengalaxie
" Ende Juli oder Anfang August plant die NASA den Start von zwei Solarsatelliten STEREO, dem Solar Terrestrial RElations Observatory", fügt Wagner hinzu. - Sie werden sich in der gleichen Umlaufbahn wie die Erde bewegen, einer hinter unserem Planeten und der andere vor uns. Diese Geräte werden die Entstehung des Sonnenwinds überwachen, insbesondere die Freisetzung mächtiger Materieströme aus der Sonnenkorona. Großbritannien, Frankreich, Deutschland, die Schweiz und Ungarn beteiligten sich an der Entwicklung von Geräten für sie. Anfang Mai wurden beide Observatorien zur endgültigen Fehlersuche und Installation auf der Oberstufe der Delta-2-Trägerrakete nach Cape Canaveral geliefert.“
Sonnenblick
Anderthalb Millionen Kilometer von der Erde entfernt bietet das SOHO Solar Observatory einen hervorragenden Aussichtspunkt mit nie versperrter Sicht auf die Sonne, unseren Stern mit 1,4 Millionen km Durchmesser, der zu 70 % aus Wasserstoff und zu 30 % aus Helium besteht.
Im August 2008 wird ein weiteres Unternehmen für Sonnenobservatorien dem Unternehmen beitreten - SDO, Solar Dynamics Observatory. „Es wird ein sehr schwerer Satellit mit einer Masse von etwa 3100 kg sein, der von einer Atlas-Rakete in eine geostationäre Umlaufbahn gebracht wird“, sagte Projektkoordinator Alexei Pevtsov vom NASA Heliophysics Directorate gegenüber PM. - Eines seiner drei Instrumente wird den Gesamtfluss des kürzesten ultravioletten Sonnenlichts messen, das andere wird Schallwellen in der solaren Photosphäre verfolgen und die Komponenten des photosphärischen Magnetfelds mit sehr hoher Auflösung und in Projektion auf alle drei Raumachsen messen. SDO wird auch eine Plattform für vier Teleskope sein, die dazu bestimmt sind, die Sonne in mehreren Fragmenten des ultravioletten Bereichs zu untersuchen.“
Russland steht auch nicht daneben. Das Observatorium "CORONAS-I" (Complex Orbital Near-Earth Observations of Solar Activity), das sieben Jahre lang existierte, startete am 2. März 1994 im Jahr der stillen Sonne in Plesetsk. Sein Nachfolger, CORONAS-F, ging am 31. Juli 2001 in die Umlaufbahn und kollabierte am 6. Dezember 2005 in der unteren Atmosphäre. „Der Flug des KORONAS-I-Observatoriums war nicht ganz erfolgreich, aber KORONAS-F hat viele wertvolle Informationen geliefert“, kommentierte Vladimir Kuznetsov, Direktor des Instituts für Erdmagnetismus, Ionosphäre und Funkwellenausbreitung der Russischen Akademie der Wissenschaften über die Ergebnisse dieser Experimente. - Seine Geräte verfolgten die Sonne in der Phase des Rückgangs ihrer Aktivität. Im Herbst 2003 registrierte sie die stärksten Sonneneruptionen, wie sie seit drei Jahrzehnten nicht mehr beobachtet wurden. Das Observatorium übermittelte auch wichtige Informationen über das Eindringen hochenergetischer Sonnenwindteilchen in die Magnetosphäre der Erde.“Der dritte Satellit dieser Serie, CORONAS-Photon, der voraussichtlich 2007 oder 2008 gestartet werden soll, ist jetzt fast fertig. Es verfolgt hauptsächlich die kürzeste Sonnenstrahlung - Röntgen- und Gammastrahlen. Der Sturm der Sonnengeheimnisse geht weiter.
