„Alle unsere Instrumente scheinen zu spinnen – oder wir sehen plötzlich eine ganz neue kosmische Umwelt”, hätte Physiker Sulu erregt Captain James T. Kirk gemeldet, wenn die NASA-Sonde Voyager 1 Astronauten an Bord hätte wie das legendäre TV- Raumschiff Enterprise. In rund 13 Milliarden Kilometer Entfernung – dem 85-fachem Abstand der Erde von der Sonne – scheint tatsächlich eine andere Umwelt zu beginnen: Der Einfluss des Sonnenwinds schwindet, und das so genannte interstellare Medium fängt an. Davon ist jetzt die Mehrheit der für die amerikanische Raumsonde verantwortlichen Wissenschaftler überzeugt. So meint Tom Krimigis, Professor an der Johns Hopkins University in Laurel, Maryland: „Es ist völlig klar – wir haben den äußeren Sonnenwind-Schock durchflogen und sehen zum ersten Mal in der Geschichte der Menschheit die Plasmawelten jenseits davon.”
Seit 1977 sind die beiden Raumsonden Voyager 1 und 2 unterwegs. Inzwischen stießen sie tiefer in den Weltraum vor als jedes andere von Menschenhand gemachte Messgerät – die Raumsonden Pioneer 10 und 11 eingeschlossen. Voyager 1 ist am weitesten draußen und scheint gerade die Grenze des Sonnensystems zu passieren. Aller Wahrscheinlichkeit nach haben ihre Messungen den äußeren Sonnenwind-Schock aufgespürt – die äußere Grenze der Heliosphäre, der Materieumwelt der Sonne.
Dieses Ereignis wird von Wissenschaftlern schon lange erwartet. Auf internationalen Konferenzen gab es immer wieder Wetten, wo dieser mysteriöse „Schock” wohl liegen würde. In den letzten Jahren reichten die Schätzungen vom 30- bis zum 110-fachen des Erdabstands von der Sonne.
Nun sind die Wetten entschieden: Auf der Luv-Seite des Sonnensystems, die vom interstellaren Wind angeblasen wird, endet die Heliosphäre wohl beim 85- fachen Erdabstand. Das zeigen die auffälligen Veränderungen der Eigenschaften vom Sonnenwind, die Voyager 1 beobachtet hat. Dazu gehören Veränderungen der Magnetfelder, der Windgeschwindigkeit und der Richtung der „ anomalen kosmischen Strahlung”. Diese hochenergetischen Teilchen werden vermutlich von der Schockfront selbst erzeugt.
Theoretiker sind seit langem davon überzeugt, dass es die Schockfront geben muss. Denn der Sonnenwind streicht als überschallschneller Plasmastrom über die Erde und alle äußeren Planeten. Seine Strömungsgeschwindigkeit ist weit größer als die interne Schallgeschwindigkeit, mit der sich Druckstörungswellen im Wind ausbreiten. Störungen gleich welcher Art kommen also nicht gegen den Sonnenwind an. Stößt er irgendwo im äußeren Sonnensystem auf ein lokales Hindernis, etwa einen Planeten, „ spürt” er schon in geringer Entfernung stromaufwärts – also in Richtung Sonne – nichts mehr davon.
Anders ist es, wenn dem Sonnenwind ein ausgedehntes Hindernis im Weg steht. Eine solche Barriere ist das interstellare Medium. Es füllt den Raum zwischen den Sternen der Milchstraße aus und umgibt auch unser Sonnensystem weiträumig. Es besteht aus einem ionisierten und magnetisierten Gas, das einen Eigendruck besitzt. Da unser Sonnensystem sich mit einer Eigengeschwindigkeit von 25 Kilometern pro Sekunde gegen dieses interstellare Medium bewegt, baut sich auf der Luv-Seite ein erheblicher Staudruck auf. Mit ihm steht der nach außen strömende Sonnenwind im Gleichgewicht: Er kann sich mit dem interstellaren Medium nicht vermischen, denn beide Medien führen Magnetfelder mit sich, die in den Strömungen wie eingefroren sind. Diese Strömungen wirken so aufeinander ein, als würden zwei undurchdringliche Flüssigkeiten aufeinander prallen.
Je weiter der Sonnenwind in die Heliosphäre vordingt, desto mehr verteilt er sich auf immer größere interplanetare Räume. Damit sinkt – solange er überschallschnell strömt – seine Dichte und sein Staudruck immer weiter. Die Folge: Der Wind kann sich in seiner ursprünglichen Form nicht beliebig weit von der Sonnenkorona in den Raum ausbreiten und zugleich dem Gegendruck des interstellaren Mediums standhalten. Stattdessen verwandelt er sich in eine unterschallschnelle Strömung, sobald er einen äußeren Druckgleichgewichtspunkt erreicht. Und genau das geschieht an der äußeren Schockfront des Sonnenwinds.
Diese Region ist mit der Schockwelle eines überschallschnellen Düsenflugzeugs vergleichbar. In ihr wird die überschallschnell heranströmende Luft in eine unterschallschnelle Strömung verwandelt, die sich den Tragflächen des Flugzeuges anpasst und über diese hinweg gleitet. Das ereignet sich auch am äußeren Sonnenwind-Schock: Dort wird durch einen noch nicht völlig verstandenen Verwirbelungsprozess die ankommende 500 Kilometer pro Sekunde schnelle und kalte Strömung in eine abfließende Strömung verwandelt, die nur 125 Kilometer pro Sekunde schnell, aber eine Million Grad heiß ist. Die Schallgeschwindigkeit in ihr beträgt mehr als 400 Kilometer pro Sekunde.
Diese neue, durch den Aufprallschock unterschallschnell gewordene Strömung ist beim weiteren Vordringen nach außen druckstabil. Sie kann sich dem Anstrom des interstellaren Mediums wie bei der Überströmung eines Flugzeugflügel-Profils anpassen, indem sie in einen lee- seitigen Heliosphärenschweif abgelenkt wird. Computersimulationen von meiner Forschungsgruppe an der Universität Bonn haben dies bestätigt.
Sowohl Frank McDonald als auch George Gloeckler, verantwortlich für die hochenergetischen Teilchendetektoren an Bord von Voyager 1, stellten nun bei der Auswertung der neuesten Daten fest, dass sich die Eigenschaften der hochenergetischen Teilchen plötzlich gravierend verändern. Die beiden Professoren an der University of Maryland interpretieren dies als Anzeichen dafür, dass die Sonde gerade den lang erwarteten Sonnenwind-Schock durchflogen hat. Die Teilchenflüsse bei Energien um zwei Megaelektronenvolt und mehr wurden ab Mitte 2002 für mehrere Monate über 100-mal stärker. Zudem trafen die Teilchen die Detektoren plötzlich aus sonnenabgewandten Richtungen, während sie zuvor aus sonnenzugewandten Richtungen kamen. Das sind Hinweise darauf, dass Voyager 1 sich im Gebiet jenseits des Sonnenwind-Schocks aufhält, wo ein langsamerer und komprimierter – also dichterer – Sonnenwind herrscht.
Diese Erkenntnisse könnten Wichtiges über die Eigenschaften des interstellaren Mediums verraten. Befindet sich die Schockfront – zumindest luv-seitig – beim 85-fachen Erdabstand, so lässt sich auf die Stärke der Magnetisierung, auf den Staudruck und den thermischen Druck des Mediums schließen. Auch lässt sich in diesem Fall besser abschätzen, wie lange Voyager noch bis zur Heliopause braucht, wann sie also in das interstellare Medium eintauchen wird. Dies alles verspricht wichtige Erkenntnisse über die Umwelt des Sonnensystems.
Es gibt allerdings einen Wermutstropfen: Mit dem dämpft Norman Ness, Professor am Bartol Research Institute der University of Delaware, Newark, die derzeitige Euphorie. Der leitende Wissenschaftler von Voyagers Magnetfeldmessungen betont, die Sonde registriere gegenwärtig keine ausreichende Zunahme der Magnetfeldstärke des Sonnenwinds. Die sollte jedoch beim Flug durch die Schockzone erfolgen. Die spannende Frage ist: Warum nicht?
Hans Jörg Fahr
