Pulsierender Sonnenschild

  • 03. March 2016

Voyager-Daten helfen bei Messung des Spek­trums der kos­mi­schen Strah­lung in Ab­hän­gig­keit vom solaren Zyklus.

Unentwegt prasseln hochenergetische Teilchen aus den Tiefen des Alls auf die Erde. Zahlreiche Experimente haben in den letzten Jahrzehnten Auf­schluss über die Zusammensetzung und das Energiespektrum dieser kosmischen Strahlung gebracht. Der größte Teil der hochenergetischen Teilchen stammt aus Supernovae oder aus den Jets von schwarzen Löchern und Pulsaren. Doch das Energiespektrum der kosmischen Strahlung birgt immer noch viele Geheimnisse. So vermuten Astrophysiker, Teilchen der dunklen Materie könnten Spuren in diesem Spektrum hinterlassen. Bei Zerfällen bestimmter Arten dunkler Materie sollten kleine Signale bei de­fi­nier­ten Energien sichtbar sein. Bislang sind solche Prozesse zwar rein hypo­thetisch. Wenn man nach ihnen suchen will, benötigt man jedoch ein sehr gutes Verständnis des Energiespektrums.

Heliosphäre

Abb.: Die Heliosphäre schirmt einen Teil der kos­mi­schen Strah­lung ab und ver­ändert ihr Spek­trum. (Bild: W. Feimer, NASA)

Was eine solche Suche insbesondere erschwert, ist der bisher noch nicht klar verstandene Einfluss des Sonnenwinds auf die kosmische Strahlung. Vor allem der niederenergetische Teil der Teilchen erfährt durch den Sonnenwind eine Abbremsung. Außerdem ändert sich die Stärke und Polarisation des Sonnenwinds im Laufe eines Sonnenzyklus von 22 Jahren. In diesem Zeit­raum durchläuft die Sonne einerseits zwei Maxima und Minima ihrer Aktivität, was sich in der Anzahl der Sonnenflecken und der Häufigkeit von Sonnen­erup­tionen widerspiegelt. Andererseits dreht sich dabei das Magnetfeld der Sonne um, was über den Sonnenwind wiederum Einfluss auf die kosmische Strahlung zeigt.

Die geladenen kosmischen Teilchen erfahren unterschiedliche Kräfte – je nach Polarisation des Sonnenwinds. Bei positiver Polarität können Protonen, die einen großen Teil der kosmischen Strahlung ausmachen, weitgehend ungehindert von den Polregionen der Heliopause in das Innere des Sonnen­systems vordringen und erfahren dabei nur moderate Energie­verluste. Bei negativer Polarität hingegen bewegen sie sich vor allem entlang der Bahn­ebene des Planetensystems und driften dabei entlang der wellen­förmigen Plasma­ströme der Heliosphäre. Auf dieser längeren Strecke verlieren sie deutlich mehr Energie. Zudem reagieren Teilchen unterschiedlicher Energie verschieden stark auf den Sonnenwind.

Ein internationales Team von Astroteilchenphysikern hat deshalb nun ein universelles Modell erstellt, dass die wichtigsten theoretischen und experi­mentellen Daten vereint und es somit erlaubt, verschiedene Messungen zu unterschiedlichen Zeiten im Sonnenzyklus zu eichen. Die Wissenschaftler nutzten nicht nur Daten von zahlreichen Ballonexperimenten zur kosmischen Strahlung, sondern insbesondere Satellitendaten der Raumsonde PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) und des AMS-02-Experiments an Bord der Internationalen Raumstation.

Kosmische Strahlung

Abb.: Je nach Polarität des Magnetfeldes in der Heliosphäre dringen Protonen der kosmischen Strahlung auf einfachen oder komplizierten Bahnen in unser Sonnensystem ein. (Bild: I. Cholis et al.)

Vor allem aber erwiesen sich die Daten der Raumsonde Voyager-1 als äußerst wertvoll. „Voyager-1 ist das erste Experiment, das bis in das inter­stellare Medium vorgedrungen ist“, sagt Ilias Cholis von der Johns Hopkins University in Baltimore, Erstautor der Studie. Dank der Daten von Voyager-1 können die Forscher so das vom Sonnenwind unverfälschte Spektrum im interstellaren Raum analysieren.

Der Sonnenwind, ein Strom aus niederenergetischem Plasma, weht ungefähr bis zur einer Distanz von hundert Astronomischen Einheiten. Dort wird er im Termination-Shock gebremst, durchmischt sich mit dem interstellaren Medium und endet schließlich in der Heliopause – einer nicht ganz kugel­förmigen Region in einer Entfernung von gut 120 Astronomischen Einheiten. Voyager-1 erlebte diesen Übergang am 25. August 2012, als die Plasma­dichte unerwartet auf das Vierzigfache anwuchs, um dann wieder abzufallen.

Allerdings sieht Voyager-1 nur die niederenergetische Komponente der kosmischen Strahlung, da ihre Sensoren zu klein sind, um die seltenen hochenergetischen Teilchen aufzufangen. Diese niederenergetische Strahlung schafft es wiederum zum Teil nicht bis zur Erde, sondern verliert sich im Sonnenwind. Die Forscher mussten deshalb Lücken in den Daten mit Modellen überbrücken, die noch theoretische Unsicherheiten aufweisen.

Die Wissenschaftler hoffen nun, die Fehler in ihrem Modell weiter reduzieren zu können, wenn das AMS-02-Experiment seine neuesten Daten veröffentlicht, was in naher Zukunft geschehen soll. AMS-02 ist seit 2011 in Betrieb und ist für eine Betriebsdauer von 18 Jahren ausgelegt. Damit deckt es fast einen kompletten Sonnenzyklus ab. „Diese Daten werden unsere Modelle noch deutlich verfeinern, weil sie eine sehr hohe Qualität haben“, sagt Tim Linden von der University of Chicago. Dann sollte auch die Suche nach den ver­steckten Signalen dunkler Materie im Energiespektrum der kosmischen Strahlung deutlich einfacher werden.

Dirk Eidemüller

RK

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