Unter permanenter Observation

24 Stunden am Tag, sieben Tage in der Woche, sezieren Solarforscher unsere Muttersonne

Seit Mitte des vergangenen Jahrhunderts befindet sich die Sonne in einer Phase außergewöhnlich hoher Aktivität, die sich im häufigen Auftreten von Sonnenflecken, Gasausbrüchen und Strahlungsstürmen äußert. Ergo beobachten Spezialisten unsere Muttersonne tagtäglich mit astronomischen Argusaugen. Dass der irdische Heimatstern das am intensivsten observierte Objekt am Himmel ist, kommt nicht von ungefähr. Schließlich hängt unser Wohlergehen vom weiteren Schicksal und den Launen der Sonne ab. Kein Wunder also, dass Solarforscher weltweit kooperieren müssen und das erdnahste Gestirn nicht aus den Augen lassen dürfen.

Alle elf Jahre macht unser Heimatgestirn auf eigentümliche, aber dennoch natürliche Weise auf sich aufmerksam: Dann bescheren uns besonders viele der so genannten Sonnenflecken, hervorgerufen durch starke Magnetfelder, einen Strom ionisierender Teilchen. Trifft ein solcher Magnetsturm auf unseren Planeten, so entwickelt er ungeahnte Kräfte mit nachhaltiger Wirkung.

Der Sonnenwind ist ein kontinuierlicher, aber sehr variabler Strom von Teilchen, die aus der Sonnenatmosphäre entweichen, radial nach außen strömen und den ganzen interplanetaren Raum erfüllen. Er besteht hauptsächlich aus geladenen Teilchen, d.h. Ionen, Alpha-Teilchen und Elektronen. (Bild: ESA)

So geschehen Mitte März 1989, als ein Sonnensturm innerhalb von 90 Sekunden das Stromnetz der gesamten kanadischen Provinz Quebec für neun Stunden ausschaltete und einen Schaden von mehr als eine Milliarde Dollar verursachte. Viele Menschen froren bei minus 15 Grad Celsius, da Elektroöfen ausfielen. Ampeln funktionierten nicht, Autos blieben stehen, weil elektrisch betriebene Pumpen an den Tankstellen kein Benzin mehr lieferten. Daher ist es nur allzu logisch, dass ein regelmäßiger, wissenschaftlich fundierter Blick auf unseren Heimatstern Sinn macht. Schließlich hängen das Schicksal der Erde und das seiner Bewohner sehr stark von den stellaren Anwandlungen der Sonne ab.

Seit der Erfindung des Fernrohrs im frühen 17. Jahrhundert beobachten Astronomen regelmäßig die Sonnenflecken. Hierbei handelt es sich um Regionen auf der Oberfläche der Sonne, in denen die Energieversorgung aus dem Inneren aufgrund der in ihnen wirkenden starken Magnetfelder behindert wird. Dadurch kühlen diese Gebiete um etwa 1500 K auf rund 4300 °C ab und erscheinen dunkel im Kontrast zu ihrer rund 5800 °C heißen Umgebung. Die Zahl der Sonnenflecken schwankt in einem etwa elfjährigen Aktivitätszyklus, der von längerfristigen Schwankungen überlagert ist. So gab es beispielsweise in der zweiten Hälfte des 17. Jahrhunderts fast gar keine Sonnenflecken.

Stern- bzw. Sonnenflecken sind dunkle Gebilde auf der Oberfläche eines Sterns. Es gibt Hinweise, dass auf einigen Sternen die Flecken bis zu 50 Prozent der Sternoberfläche bedecken, gegenüber gerade einmal einem Prozent bei der Sonne. Die Zahl der Sonnenflecken schwankt mit dem 11-jährigen Aktivitätszyklus der Sonne. (Bild: MPG)

Dass die Sonne neben Sonnenflecken allerdings noch viel mehr zu bieten, viel Interessanteres zu erzählen, weitaus mehr Informationen preiszugeben hat, liegt an der unglaublichen Photonenflut, die sie emittiert. "Im Gegensatz zu Nachtastronomen, die für praktisch jedes eingefangene Lichtteilchen dankbar sind, müssen wir den Überschuss von Licht und Wärme bändigen, der auf unsere Teleskope trifft", klagt der amerikanische Solarastronom John Varsik. Anders als bei den Sternfreunden der Nacht sehen sich die Sonnenforscher in der Tat einem Überschuss von Licht und Wärme gegenüber. Schließlich nutzen sie aus der eingehenden Lichtstrahlenflut das gesamte Sonnenspektrum des sichtbaren Lichts ("weißes Licht") von Rot bis Violett. Speziell entwickelte Spektralapparate analysieren die Fülle der im Sonnenlicht enthaltenden Informationen, um sie dann auf Magnetplatten abzuspeichern. Auf PC-Bildschirmen erwacht die Sonne dann wieder zu Leben - insbesondere im Internet, wo zahlreiche solare Bilder abgespeichert sind.

Da Sonnenforscher also in viel größerem Maße vom Wetter und dem Wechselspiel von Tag und Nacht abhängig sind als ihre Kollegen von der Nachtastronomie und weil sie quasi ein Leben lang nur einen Stern "sezieren", müssen sie kooperieren, wollen sie eine lückenlose Beobachtung der Sonne gewährleisten. Es ist daher nur konsequent, dass sie sich längst in multinationalen Arbeitsgruppen organisiert haben. Diesem differenzierten und engmaschigen Netzwerk, das sich hierbei herausgebildet hat, gehört auch das "European Solar Magnetometry Network" (ESMN an, eine aus acht großen Observatorien bestehende Vereinigung. Eines davon ist das innovative Dutch Open Telescope (DOT auf La Palma/Kanarische Inseln, das das Sternkunde-Institut der Universität Utrecht betreibt.

Dutch Open Telescope: äußerlich vielleicht etwas unscheinbar, dafür aber sehr leistungsstark (Bild: Rob Rutten/DOT)

Dieses Fernrohr geht - wie die anderen Sonnenteleskope - dem Geheimnis solarer Magnetfelder auf den Grund: mit Hilfe von Euros, welche die Europäische Union zur Verfügung stellte. Mit amerikanischen Geldern hingegen wird die "Global Oscillation Network Group" (GONG) finanziert, eine Arbeitsgemeinschaft, der sich sechs große Sonnenobservatorien angeschlossen haben, deren strategisch wertvolle Lage eine ganztägige Sonnenbeobachtung ermöglicht. Sie bilden ein weltumspannendes Netz, das sich von der inmitten des Pazifiks gelegenen Mauna-Loa-Station (Hawaii) über das in der australischen Wüste ansässige Learmonth-Teleskop bis hin zum indischen Observatorium in Udaipur erstreckt. Ergründet werden sollen die bislang unbekannten Ursachen für Sonnenbeben, die sich fast immer durch messbare Sonnenschwingungen verraten.

Bild der Sonnenoberfläche in 3-D. Aufgenommen mit dem Swedish 1-m Solar Telescope (Bild: G. Scharmer (ISP, RSAS) et al., Lockheed-Martin Solar & Astrophysics Lab)

Mögen die immobilen Beobachtungsstationen oft Tausende von Kilometern voneinander entfernt liegen - in punkto Datentransfer sind sie dank des World-Wide-Web indes hochgradig mobil. Abgesehen von der Möglichkeit, Informationen untereinander direkt via Internet oder Intranet auszutauschen, können die Forscher auch auf spezielle Datenbänke zurückgreifen, die ganz gezielt projektbezogene Daten erfassen und archivieren. Jederzeit abrufbar sind im SIDC-Datenzentrum in Brüssel etwa die Sonnenflecken-Relativzahlen, die dort monatlich von den darauf spezialisierten Observatorien überspielt werden.

Aufnahme der Sonne mit dem Big Bear Solar Observatory im Licht der Wasserstofflinie H-alpha (Bild: BBSO/NJIT)

Für das Sammeln der Ergebnisse der laufenden Beobachtungen im Licht der roten Wasserstofflinie H-alpha zur Flare-Überwachung sind die Weltdatenzentren in Boulder, Paris und Moskau zuständig. Sie gewährleisten, dass kein Bit der global gewonnenen "solaren" Information verloren geht. Dass sich der Teamgeist der Sonnenforscher dabei nicht allein auf die erdgebundene Beobachtung beschränkt, bestätigt der Solarspezialist Prof. Christoph Keller von der Universität Utrecht, der den Erfolg der kostspieligen Satellitenmissionen SOHO oder ULYSSES voll anerkennt:

Heutzutage kann man nicht mehr zwischen "traditionellen" Sonnenforschern und Wissenschaftlern, die mit Satelliten die Sonne analysieren, unterscheiden. Nahezu jeder von uns ist in die Boden- und Weltraumbeobachtung involviert. Satelliten sind teuer, aber sie zeigen uns die Sonne auf eine Weise, wie wir sie vom Boden aus nicht sehen können.

John Varsiks Arbeitsgerät hingegen ist das irdische Big-Bear-Teleskop in den kalifornischen San Bernardino Mountains. Hier, auf einer Höhe von 2000 Metern, ist der Himmel meist wolkenfrei, die Luft noch sauber und die Sonne sogar bis zu zehn Stunden am Tag "aktiv". Hier, inmitten des gleichnamigen Sees, befindet sich der Teleskop-Drilling, der sich aus einem 66-Zentimeter-Reflektor und einem 25-Zentimeter bzw. 15-Zentimeter Refraktor zusammensetzt. Nur ein schmaler Damm verbindet die Kuppel mit dem Ufer, die der pittoreske See sonst völlig umschließt.

SOHO-Aufnahme einer Protuberanz aus dem Jahr 2002 (Bild: SOHO - EIT Consortium, ESA, NASA)

Von dem kalten Gewässer erhoffen sich die Forscher drei Effekte. Zum einen soll es das eintreffende Sonnenlicht absorbieren und so unnötige Lichtreflexionen eindämmen. Zum anderen soll das kühlende Nass den Hilfsspiegel des 66-Zentimeter-Vakuumteleskops vor Überhitzung schützen. Drittens soll das Wasser die bodennahen Luftturbulenzen auf ein möglichst geringes Niveau halten.

Den störenden Effekt von Luftturbulenzen kennt jeder Hobbyastronom. Diese unberechenbaren Bewegungen der Luft entstehen durch ständige, lokale Unruhen in der Erdatmosphäre. Dadurch steigen Luftballen auf- und ab. Ihre unterschiedliche Dichte und Temperatur bewirkt einen linsenartigen Effekt, der das Sonnenlicht zwar nur leicht ablenkt, aber dennoch stark genug verzerrt, um jedes Bild mit einem störenden Flimmern zu überlagern. Nicht ohne Grund stehen Sonnenphysiker mit diesem "Todfeind", wie es Rudolf Kippenhahn einmal martialisch formulierte, "im ständigen Krieg".

SOHO-Bild (Bild: ESA/NASA)

Wenn dem so ist, dann sind vor allem im Pazifik schon einige erfolgreiche Schlachten geschlagen worden. So etwa auf den Kanarischen Inseln, wo gleich eine kleine Armada von Sonnenteleskopen seit Jahren gegen Luftturbulenzen kämpft. Einer ihrer Anführer ist das Swedish Solar Telescope auf La Palma, ein Vakuumteleskop, das seinem Namen alle Ehre macht.

Fraglos zählen Vakuumteleskope zu den stärksten "Erdbodenwaffen", die Astronomen bislang gegen Luftturbulenzen mobilisiert haben. Dies beweist auch das deutsche Vakuum-Turm-Teleskop (VTT mit seiner 70-Zentimeter-Öffnung und seiner 46-Meter-Brennweite. Sekundiert wird es von dem zu Testzwecken errichteten Vakuum-Newton-Teleskop, ein Spiegelteleskop mit einer 40-Zentimeter Öffnung und einer Brennweite von 35 Metern. Und flankiert wird das VTT vom Gregory-Coud´e-Teleskop (GCT), das nach einer gründlichen Überholung von Locarno nach Teneriffa übersiedeln musste.

Alle drei Gebäude und Geräte, die das Freiburger Kiepenheuer-Institut (KIS betreut, sind mit einer blendend weißen Farbe versehen. Diese soll die einfallende Sonnenwärmestrahlung reflektieren und damit ein Überhitzen der Anlage verhindern. Je höher der Turm ist, desto besser. Denn nur auf diese Weise lässt sich der von der Sonne erwärmte Erdboden, über dem turbulente Luftschichten entstehen können, auf Distanz halten. Aber der eigentliche Clou bei Vakuumteleskopen ist der, dass in ihrem Innern die Luft gezielt entfernt wurde, damit der Brennpunkt im Vakuum liegt. So kann eine zusätzliche Bildunruhe durch Aufheizung vermieden werden; eindringende Wärmestrahlung kann im Teleskopinnern keine Luftturbulenzen erzeugen.

Kein Sonnenfleck, sondern der Planet Merkur im Transit (Bild: Swedish Solar Telescope (SST) of the Royal Swedish Academy of Sciences, Mats Löfdahl and Peter Dettori)

Die Effektivität eines stationären Sonnenteleskops hängt also von dem Zusammenspiel vieler Faktoren ab, die optimal aufeinander abzustimmen sind. Alles steht und fällt mit der richtigen geografischen Lage, der passenden äußeren und inneren Architektur und einem effizienten Kommunikationsnetz - und nicht zuletzt der Qualität des Teleskops mitsamt dem verwendeten Filter inklusive des Bildinformationssystems. Es liegt schließlich in der Natur des Fortschritts, dass die neue Generation der Infrarot- und CCD-Halbleiter-Kameras das Ende der klassischen Astro-Fotographie einleiten musste, die von den französischen Physikern Armand H.L. Fizeau (1819-1896) und Léon Foucault (1819-1868) am 2. April 1845 begründet wurde. An diesem denkwürdigen Tag verewigte Foucault erstmals in der Menschheitsgeschichte die Sonne auf Fotopapier. Ohne das Licht der Sonne wäre Foucault dazu nicht in der Lage gewesen - sowohl ontologisch als auch filmtechnisch gesehen. (Harald Zaun)

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