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SONNENSYSTEM
Das Rätsel der anomalen kosmischen Strahlung
von Hans Zekl
für astronews.com
21. Februar 2006

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

Heliosphäre

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

Vor nahezu 100 Jahren fand der österreichische Physiker bei Ballonflügen Hinweise auf eine energiereiche Strahlung aus dem Weltraum, die kosmische Strahlung oder Höhenstrahlung, wie sie damals genannt wurde. Sie besteht im Gegensatz zu Licht oder Röntgenstrahlen nicht aus elektromagnetischen Wellen, sondern aus Teilchen mit sehr hohen Geschwindigkeiten.

Die überwiegende Mehrheit bilden elektrisch geladene Protonen und Alpha-Teilchen, Heliumkerne, während Elektronen nur rund drei Prozent ausmachen. Später 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.

Während die Quellen der normalen, galaktischen kosmischen Strahlung bis heute unbekannt sind, entwickelten Wissenschaftler in den letzten 20 Jahren Modelle für den Ursprung des anomalen Bestandteils. Danach entsteht er im Übergangsbereich 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 Stoßfront.

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Im Grenzbereich zwischen der Heliosphäre, 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 Heliosphäre ein, werden aber durch die UV-Strahlung der Sonne und Stöße mit Elektronen elektrisch aufgeladen. Das Magnetfeld im Sonnenwind transportiert sie dann zurück zur Stoßfront, wo sie dann beschleunigt werden und als anomale kosmische Strahlung dann zur Erde gelangen.

Soweit die Theorie: Nur, als die Sonde Voyager 1 die Stoßfront passierte, fand sie nur wenige Teilchen. "Die Modelle zeigten, dass wir die Energiequelle der anomalen kosmischen Strahlung in der Stoßfront sehen sollten," erläuterte David McComas vom Southwest Research Institute den Befund. "Wir waren uns ziemlich sicher, dass wir wussten, was wir finden würden. 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 veröffentlicht wurde, meinen die Wissenschaftler McComas und Nathan Schwadron von der Boston University das Problem gelöst zu haben. Sie fanden heraus, dass die Form der Stoßfront im Gegensatz zu den bisherigen Annahmen von entscheidender Bedeutung ist. Voyager 1 traf den Rand der Heliosphäre in der Nähe des vorderen Endes.

Das Modell der beiden Wissenschaftler sagt für diesen Fall tatsächlich nur wenige Teilchen der anomalen Strahlung voraus. Da sich das Sonnensystem durch das interstellare Medium bewegt, kann die Heliosphäre nicht kugelförmig sein. "Durch den Staudruck in Flugrichtung besitzt sie eine abgeflachte eiförmige Form," erklärte Schwadron. "Die abgeflachte Nase sorgt dafür, dass die Beschleunigung zeitabhängig ist."

Die Rechnungen der beiden Wissenschaftler zeigen, dass sich die Teilchen der anomalen Strahlung etwa 300 Tage in der Nähe der Stelle aufhalten, an der die Feldlinien des Magnetfelds der Sonne auf die Stoßfront 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 Heliosphäre.

Voyager 2 wird in den nächsten zwei bis drei Jahren ebenfalls auf die Stoßfront 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 möglich sein, ein globales Bild der Vorgänge in verschiedenen Bereichen der Schockfront zu erhalten.

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siehe auch
Voyager 1: Grenze des Sonnensystems erreicht - 25.Mai 2005
Voyager: Jubiläum der Weltraum-Veteranen - 20. August 2002
Voyager: Bald Grenze des Sonnensystems erreicht? - 14. Dezember 2000
Voyager: Veteranen im All - 4. März 1999
Links im WWW
Voyager, Homepage am JPL
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