Wie heiß ist die Sonne? Diese Sonde hat es "berührt"

Während des Kalten Krieges zwischen den Vereinigten Staaten und der Sowjetunion erfanden die Amerikaner viele „Geschichten“, um die Sowjetunion zu diskreditieren, wie zum Beispiel diese berühmte Geschichte „Geh nachts zur Sonne“:

Nachdem die Amerikaner erfolgreich auf dem Mond gelandet waren, rief Breschnew noch am selben Tag die sowjetischen Astronauten zu sich …

„Da die Amerikaner bereits auf dem Mond gelandet sind, hat die Sowjetunion nun beschlossen, Sie umgehend zur Landung auf der Sonne zu schicken“, sagte Breschnew.

„Wissen Sie nicht, Genosse Breschnew, dass wir verbrannt werden?“ Der Astronaut erlitt einen Schock und erstickte.

Breschnew sagte wütend: „Glauben Sie, das Politbüro hat das nicht bedacht? Wir haben beschlossen, Sie nachts zur Landung an der Sonne zu schicken!“

Die alten Leute, die in "Sowjetwitzen" oft verspottet werden

(Bildquelle: IMRussia)

Dieser Witz ist sehr beliebt und wurde oft abgewandelt, um zu Online-Witzen oder Crosstalk-Zitaten zu werden, mit denen Menschen beschrieben werden, die einen hohen Status und Ruhm haben, denen es aber an gesundem Menschenverstand mangelt.

Jeder weiß, dass es auf der Erde Tag und Nacht gibt, doch egal, ob Tag oder Nacht ist, die Sonne ist ein extrem sengender Feuerball. Und was ist mit Landen oder Überfliegen? Das ist bloß Wunschdenken.

GIF: Erdrotation und der Wechsel von Tag und Nacht

(Bildquelle: vjshi.com)

Doch mit der Entwicklung der Wissenschaft ist der Witz einer Landung auf der Sonne Wirklichkeit geworden.

Berichten zufolge gab Thomas Zurbuchen, stellvertretender Leiter des Science Mission Directorate der National Aeronautics and Space Administration (NASA), am 14. Dezember 2021 auf der Herbsttagung der American Geophysical Union 2021 in New Orleans bekannt, dass die von Menschen gestartete Parker Solar Probe (PSP) im April 2021, drei Jahre nach ihrem Start, erfolgreich die äußerste Schicht der Sonnenatmosphäre (Korona) durchdrungen habe und damit als erste Raumsonde die Sonne „berührt“ habe.

Obwohl dieses erste Erlebnis nur wenige Stunden dauerte, eröffnete es das Kapitel des menschlichen „Kontakts“ mit der Sonne. PSP wird in den nächsten sieben Jahren 21 Flüge in Sonnennähe durchführen.

Welchen Temperaturen müssten Sie standhalten, wenn Sie auf der Sonne landen würden?

Wir hören oft, dass „die Temperatur auf der Sonnenoberfläche etwa 6000 Grad beträgt“. Woher stammen diese Daten? Hat es jemand getestet? Tatsächlich ist diese Temperatur hauptsächlich auf die Analyse der Sonnenstrahlung durch Wissenschaftler zurückzuführen.

Die Oberfläche der Sonne wird als „Photosphäre“ bezeichnet und das sichtbare Licht der Sonne, das wir mit bloßem Auge sehen, wird von hier ausgestrahlt. Zusätzlich zum sichtbaren Licht sendet die Photosphäre auch Strahlung unterschiedlicher Frequenzen über das gesamte Band aus, beispielsweise Ultraviolettstrahlen, Röntgenstrahlen usw.

Wissenschaftler analysierten die Intensität der Strahlung jeder Frequenz und fanden heraus, dass die Strahlung mancher Frequenzen stark und anderer schwach ist. Dies ist sehr ähnlich der Strahlungsintensitätsverteilung, die von einem schwarzen Körper bei etwa 6000 Grad abgegeben wird (um genau zu sein, 5700 Kelvin Temperatur, also etwa 5500 Grad). Daraus schlossen sie, dass „die Oberflächentemperatur der Sonne etwa 6000 Grad beträgt.“

Allerdings durchquert die Parker-Sonde nicht die Sonnenoberfläche, sondern die Korona, die deutlich heißer ist als die 6.000 Grad auf der Oberfläche.

Von innen nach außen ist die Sonnenatmosphäre hauptsächlich in Photosphäre, Chromosphäre, Übergangszone und Korona unterteilt, und die Temperatur ändert sich mit der Höhe. Die folgende Kurve zeigt die Temperaturänderungskurve der Sonnenatmosphäre von niedriger bis hoher Höhe, von einigen Tausend Grad bis zu Zehntausenden von Grad auf der Oberfläche und dann zu Temperaturen von Millionen Kelvin in der Korona. Die Temperatur der Sonnenatmosphäre nimmt von innen nach außen zu.

Die Temperatur der Sonnenatmosphäre von innen nach außen. Die blaue Korona bezieht sich auf die Sonnenkorona, die Temperaturen von Millionen Kelvin (273 Grad Celsius) erreichen kann.

(Bildnachweis: NASA)

Obwohl sich die Parker Solar Probe im äußersten Bereich der Sonne befindet, ist sie tatsächlich an einem Ort mit höheren Temperaturen.

Allerdings entspricht die „Temperatur“ des die Sonne umgebenden „Plasmas“ nicht genau unserer alltäglichen Erfahrung von Kälte und Hitze. In einem bestimmten Bereich des Weltraums kann die Temperatur mehrere tausend Grad erreichen, ohne dass andere Objekte nennenswert erwärmt werden.

Mit anderen Worten: Uns ist nicht heiß, wenn wir darin sind. Warum ist das so?

Bevor wir dieses Problem erklären, müssen wir wissen, dass Materie aus unsichtbaren Teilchen besteht – Molekülen und Atomen. Die sogenannte Temperatur ist eigentlich ein Maß für die Bewegungsgeschwindigkeit der Teilchen, aus denen die Materie besteht, während Wärme die Gesamtmenge an Energie misst, die zwischen Substanzen übertragen wird. Partikel können sich sehr schnell bewegen (hohe Temperatur), aber wenn es nur sehr wenige davon gibt, übertragen sie nicht viel Energie (geringe Wärme).

Da der größte Teil des Universums leer ist, weisen Orte wie die Korona tatsächlich eine extrem niedrige Materiedichte auf und die Wärmemenge, die direkt übertragen werden kann, ist nicht sehr hoch. In der Umgebung der Sonne ist es aufgrund der enormen Sonnenstrahlung wahrscheinlicher, dass sich der Detektor erwärmt. So wie uns warm wird, wenn wir in der Sonne liegen, überträgt die Sonnenstrahlung, dargestellt durch sichtbares Licht, viel Energie auf die Objekte, auf die sie scheint.

Obwohl die Parker Solar Probe durch einen Koronaraum mit einer Temperatur von mehreren Millionen Grad reist, haben Wissenschaftler berechnet, dass die Oberfläche des Hitzeschildes auf der der Sonne zugewandten Seite der Sonde nur auf etwa 1400 Grad Celsius (2500 Grad Fahrenheit) erhitzt werden kann. Natürlich ist diese Temperatur schon sehr hoch. Beispielsweise beträgt die Temperatur des Magmas aus einem Vulkanausbruch etwa 700–1.200 Grad Celsius, während der Schmelzpunkt von Eisen bei 1.538 Grad Celsius liegt und damit knapp an der Schmelzgrenze liegt.

Wie wählen Sie die Ausrüstung für Ihr Abenteuer über der Sonne aus?

Bei einer hohen Temperatur von 1.400 Grad kann die Präzisionsausrüstung im Inneren nur schwer ordnungsgemäß funktionieren, selbst wenn der Detektor nicht schmilzt. Wie gelang es der Parker Solar Probe, die Sonnenkorona erfolgreich zu durchdringen und sogar wissenschaftliche Erkundungen durchzuführen?

Dies liegt tatsächlich daran, dass Wissenschaftler der Parker Solar Probe einen Hitzeschild „angebracht“ haben. Der Hitzeschild besteht aus einem 11,43 cm (4,5 Zoll) dicken Schild aus Kohlenstoffverbundstoff, der mit einer weißen Keramikschicht überzogen ist, damit er möglichst viel Sonnenstrahlung, vor allem Sonnenlicht, reflektieren kann.

Der Hitzeschild ist so konzipiert, dass er auf der der Sonne zugewandten Seite der Sonde sitzt, auf einem großen Kühler mit einem Titanrahmen. Diese Struktur hält die Nutzlast des Raumfahrzeugs auf seinem Weg zur Sonnenoberfläche in kühlem, dunklem Schatten.

Arbeiter installieren Hitzeschilde

(Bildnachweis: NASA)

Obwohl die Außenschicht einer Temperatur von 1.400 Grad Celsius ausgesetzt ist, kann nach Schätzungen der Wissenschaftler die Temperatur der Unterseite der Schutzschicht aufgrund der Wirkung der Schutzhülle bei 315 bis 371 Grad Celsius gehalten werden, wenn sich die Parker Solar Probe in den späteren Phasen ihrer Mission der Sonnenoberfläche am nächsten befindet. Diese Temperatur entspricht in etwa dem Schmelzpunkt von Blei, der jedoch noch weit vom Schmelzpunkt von Aluminium (660 Grad Celsius) entfernt ist.

Tatsächlich machten sich die Wissenschaftler und Ingenieure, die das Raumschiff entwarfen, eher Sorgen darüber, dass es auf der dunklen Seite ohne Sonneneinstrahlung zu kalt sein könnte und dass die wissenschaftlichen Instrumente und Geräte an Bord des Raumschiffs während der Mission einfrieren statt schmelzen könnten.

Um extreme Unterkühlung und Gefrieren zu vermeiden, sind die Instrumente und Geräte der Parker-Sonde außen in Wärmedecken gehüllt und mit separaten Solarheizungen gekoppelt. Einfach ausgedrückt werden diese Instrumente mit Heizdecken abgedeckt, genau wie wir es im Winter tun! Dadurch wird die Temperatur ihrer Arbeitsumgebung bei etwa 28 Grad Celsius gehalten.

Ob zum Heizen oder Kühlen: Die Parker-Sonde benötigt Strom als Energiequelle und zur Stromversorgung der Instrumente und anderer elektronischer Geräte an Bord der Sonde. Die nahe Sonne ist seine „Lebensquelle“. Die Solarmodule, mit denen die Sonde Strom erzeugt, sind auf flügelförmigen Klappen montiert, die unter dem Kühler hervorragen. Sie können nicht nur mit der Hitze der Sonne umgehen, sondern sind auch mit einem eigenen Kühlsystem ausgestattet, das die Parker-Sonde kontinuierlich mit Strom versorgen kann.

Das Design der Parker Solar Probe. Die weiße Platte auf der Vorderseite ist der Hitzeschild.

(Bildnachweis: NASA)

Kehren wir zum Anfang dieses Artikels zurück – der Grund, warum „Nachts zur Sonne gehen“ zu einem Witz wird, liegt darin, dass die Leute, die diesen Witz erzählen, bereits wissen, dass die Sonne extrem heiß ist und dass Tag und Nacht durch die Rotation der Erde um die Sonne verursacht werden und die Sonne mit Einbruch der Nacht nicht kälter wird.

Ein wenig Nachdenken zeigt, dass das Verständnis der Öffentlichkeit mit der fortschreitenden Ausweitung der Erkundungen und Forschungen der Wissenschaftler zugenommen hat. Gerade der kontinuierlichen Erforschung der Sonne durch Wissenschaftler unter der Leitung des Gelehrten Eugene Parker ist es zu verdanken, dass wir heute ein Verständnis von ihr haben. Mithilfe der in diesem Artikel vorgestellten Technologie wird das „Überfliegen der Sonne“ zur Realität und kann uns mehr Wissen über die Sonne bringen und das menschliche Verständnis und die Rekonstruktion der Sonnenphysik erheblich erweitern.

Heute wird die Parker-Sonde einen engen Kontakt mit der Sonne herstellen und die wertvollen Informationen, die sie zurückbringt, werden für die Öffentlichkeit morgen „zur Selbstverständlichkeit werden, die sogar ein dreijähriges Kind kennt“. Ich bin überzeugt, dass uns die Parker Solar Probe in naher Zukunft weitere Geheimnisse der Sonne enthüllen und noch mehr scheinbar „unmögliche“ Aufgaben bewältigen wird.

Nach der Parker-Sonde tragen viele neue Sonden zur menschlichen Erforschung der Sonne bei, etwa Chinas Xihe-Sonde und das Advanced Space-based Solar Observatory (ASO-S), das in diesem Jahr gestartet werden soll, sowie die NASA-Missionen MUSE und HelioSwarm, allesamt Raumfahrzeuge zur Beobachtung der Sonne. Warten wir es gemeinsam ab!

Quellen:

[1] Parker Solar Probe absolviert rekordverdächtigen Vorbeiflug an der Sonne, https://blogs.nasa.gov/parkersolarprobe/

[2] Der Hitzeschild der Parker Solar Probe wird im thermischen Vakuum getestet, https://blogs.nasa.gov/parkersolarprobe/2017/12/

[3] Die Parker Solar Probe Mission, https://blogs.nasa.gov/parkersolarprobe/2018/08/11/the-parker-solar-probe-mission/

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Zheng Zheng You Sheng

Hersteller: Computer Network Information Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften