Wissenschaftler nennen die von der Sonne beeinflusste Region des Weltraums Heliosphäre, aber ohne eine interstellare Sonde wissen sie wenig über ihre Form. Die Heliosphäre, der von der Sonne beeinflusste Raumbereich, ist mehr als hundertmal so groß wie die Entfernung von der Sonne zur Erde.
Die Sonne ist ein Stern, der ständig einen stetigen Plasmastrom aussendet, ein hochenergetisches ionisiertes Gas, das Sonnenwind genannt wird. Zusätzlich zum konstanten Sonnenwind stößt die Sonne gelegentlich auch Plasmaausbrüche aus, die als koronale Massenauswürfe bezeichnet werden und zur Entstehung des Polarlichts beitragen können, sowie Licht- und Energieausbrüche, die als Flares bezeichnet werden.
Das von der Sonne ausgehende Plasma dehnt sich zusammen mit dem Magnetfeld der Sonne im Weltraum aus. Zusammen bilden sie die Heliosphäre innerhalb des umgebenden lokalen interstellaren Mediums – Plasma, neutrale Teilchen und Staub, die den Raum zwischen Sternen und ihren jeweiligen Astrosphären füllen.
Die Heliosphäre blockiert viele der kosmischen Strahlen, die in diesem animierten Bild als helle Streifen dargestellt sind, und verhindert so, dass sie die Planeten in unserem Sonnensystem erreichen. NASA Goddard Space Flight Center/Labor für konzeptionelle Bildgebung
Die acht bekannten Planeten im Sonnensystem, der Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter und der Kuipergürtel – das Band von Himmelsobjekten jenseits von Neptun, zu dem auch der Planetoid Pluto gehört – befinden sich alle in der Heliosphäre. Die Heliosphäre ist so groß, dass Objekte im Kuipergürtel näher an der Sonne kreisen als am nächsten Rand der Heliosphäre.
Wenn entfernte Sterne explodieren, geben sie enorme Strahlungsmengen in Form hochenergetischer Teilchen, der sogenannten kosmischen Strahlung, in den interstellaren Raum ab. Diese kosmische Strahlung kann für lebende Organismen gefährlich sein und elektronische Geräte und Raumfahrzeuge beschädigen.
Die Erdatmosphäre schützt das Leben auf dem Planeten vor den Auswirkungen der kosmischen Strahlung, doch schon davor fungiert die Heliosphäre selbst als kosmischer Schutzschild gegen den Großteil der interstellaren Strahlung.
Künstlerische Darstellung der Heliosphäre und ihres Platzes im lokalen interstellaren Medium und in der Milchstraße. Die interstellare Sonde könnte weiter reisen als jedes bisherige Raumschiff und Wissenschaftlern helfen, von außen einen guten Blick auf unsere Heliosphäre – den Einfluss der Sonne im Weltraum – zu werfen. JHU/APL
Neben der kosmischen Strahlung gelangen ständig neutrale Teilchen und Staub aus dem lokalen interstellaren Medium in die Heliosphäre. Diese Partikel können den Raum um die Erde beeinflussen und sogar die Art und Weise verändern, wie der Sonnenwind die Erde erreicht.
Supernovae und das interstellare Medium könnten auch die Entstehung des Lebens und die Entwicklung des Menschen auf der Erde beeinflusst haben. Einige Forscher sagen voraus, dass die Heliosphäre vor Millionen von Jahren mit einer kalten, dichten Partikelwolke im interstellaren Medium in Kontakt kam, was dazu führte, dass sich die Heliosphäre zusammenzog und die Erde dem lokalen interstellaren Medium ausgesetzt wurde.
Aber Wissenschaftler wissen nicht wirklich, welche Form die Heliosphäre hat. Die Form der Modelle variiert von kugelförmig über kometenförmig bis hin zu hörnchenförmig. Die Größe dieser Projektionen variiert um das Hundert- oder Tausendfache der Entfernung von der Sonne zur Erde.
Wissenschaftler haben jedoch die Richtung, in die sich die Sonne bewegt, als „Nasenrichtung“ und die entgegengesetzte Richtung als „Schwanz“-Richtung definiert. Die Richtung der Nase sollte den kürzesten Abstand zur Heliopause haben – der Grenze zwischen der Heliosphäre und dem lokalen interstellaren Medium.
Keine Sonde hat jemals einen guten Blick auf die Außenseite der Heliosphäre erhalten oder die lokale interstellare Umgebung ordnungsgemäß untersucht. Dies könnte Wissenschaftlern mehr über die Form der Heliosphäre und ihre Wechselwirkung mit dem lokalen interstellaren Medium, der Weltraumumgebung jenseits der Heliosphäre, verraten.
Eine künstlerische Darstellung der Heliosphäre – die wahre Form bleibt unbekannt. Beschriftungen für Sonne, Heliopause und Nasen- und Schwanzrichtung sowie ein Beispiel für die Flankenrichtung hinzugefügt. Es wird angenommen, dass die Voyager-Sonden während ihrer mehrjährigen Reise die Heliosphäre durchquert haben. NASA/JPL-Caltech
1977 startete die NASA die Voyager-Mission und flog mit ihren beiden Raumschiffen an Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun im äußeren Sonnensystem vorbei. Wissenschaftler stellten fest, dass die Sonden nach der Beobachtung dieser Gasriesen 2012 bzw. 2018 einzeln die Heliopause durchquerten und in den interstellaren Raum eindrangen.
Obwohl Voyager 1 und 2 die einzigen Sonden sind, die jemals die Heliopause überqueren könnten, haben sie ihre geplante Missionslebensdauer längst überschritten. Möglicherweise sind sie nicht mehr in der Lage, benötigte Daten zurückzugeben, da ihre Instrumente langsam ausfallen oder heruntergefahren werden. Diese Raumschiffe wurden zur Erforschung von Planeten und nicht zur Erforschung des interstellaren Mediums entwickelt. Das bedeutet, dass sie nicht über die notwendigen Instrumente verfügen, um alle Messungen des interstellaren Mediums oder der Heliosphäre durchzuführen, die Wissenschaftler benötigen.
Hier könnte eine mögliche interstellare Sondenmission von Nutzen sein. Die Sonde, die über die Heliopause hinaus fliegen soll, wird Wissenschaftlern dabei helfen, die Heliosphäre zu untersuchen, indem sie sie von außen beobachtet.
Da die Heliosphäre so groß ist, würde es Jahrzehnte dauern, bis die Sonde ihren Rand erreicht, selbst wenn sie die Schwerkraftunterstützung eines so massereichen Planeten wie Jupiter nutzen würde.
Die NASA erwägt die Möglichkeit, eine interstellare Sonde zu entwickeln. Diese Sonde wird Plasma- und Magnetfelder im interstellaren Medium messen und die Heliosphäre von außen abbilden. Zur Vorbereitung holte die NASA mehr als 1.000 Wissenschaftler zum Missionskonzept ein.
Im ursprünglichen Bericht wurde empfohlen, dass die Sonde einem Pfad folgt, der etwa 45 Grad von der Richtung der Heliosphärennase entfernt ist. Diese Flugbahn wird einem Teil des Weges der Voyager folgen und gleichzeitig einige neue Bereiche des Weltraums erreichen. Auf diese Weise können Wissenschaftler neue Gebiete erkunden und einige teilweise bekannte Bereiche des Weltraums erneut besuchen.
Dieser Weg wird der Sonde nur ein Teilwinkelbild der Heliosphäre liefern und sie wird nicht in der Lage sein, den Helioschweif zu sehen, einen Bereich, über den Wissenschaftler am wenigsten wissen.
Wissenschaftler sagen voraus, dass sich im Helioschweif das Plasma, aus dem die Heliosphäre besteht, mit dem Plasma vermischt, aus dem das interstellare Medium besteht. Dies geschieht durch einen Prozess namens magnetische Wiederverbindung, der es geladenen Teilchen ermöglicht, aus dem lokalen interstellaren Medium in die Heliosphäre zu strömen. Genau wie neutrale Partikel, die durch die Nase eindringen, beeinflussen diese Partikel die Weltraumumgebung innerhalb der Heliosphäre.
In diesem Fall sind die Teilchen jedoch geladen und können mit solaren und planetaren Magnetfeldern interagieren. Obwohl diese Wechselwirkungen an den Rändern der Heliosphäre, sehr weit von der Erde entfernt, stattfinden, beeinflussen sie die Zusammensetzung des Inneren der Heliosphäre.
Eine Flugbahn, die die Flanke der Heliosphäre in Richtung Schwanz kreuzt, bietet Wissenschaftlern die einzigartige Gelegenheit, eine völlig neue Region des Weltraums innerhalb der Heliosphäre zu untersuchen. Wenn die Sonde die Heliosphäre in den interstellaren Raum verlässt, erhält sie von außen einen schrägen Blick auf die Heliosphäre, der den Wissenschaftlern ein detaillierteres Verständnis ihrer Form, insbesondere im umstrittenen Schweifbereich, ermöglicht. Unabhängig davon, in welche Richtung die interstellare Sonde gestartet wird, werden die wissenschaftlichen Daten, die sie liefert, von unschätzbarem Wert und im wahrsten Sinne des Wortes astronomisch sein.