Chinas Solarforschung: Wir haben das Sternenmeer gesehen, aber unsere Erforschung der Sonne ist noch lange nicht unbekannt

Die Sonne ist in den Augen der Menschen der strahlendste Himmelskörper und die Quelle des Wachstums für alle Dinge auf der Erde. Es beschert uns einen strahlenden Frühling, Blumen im Sommer, reichlich Früchte im Herbst und fliegenden Schnee im Winter. Die Sonne macht unsere Welt lebendig und farbenfroh. Was viele Menschen jedoch nicht wissen: Die Sonne kann der Menschheit manchmal Katastrophen bringen.

Am 13. März 1989, gegen 2 Uhr morgens, stellten die Menschen im kanadischen Quebec plötzlich fest, dass es einen Stromausfall gab. Klimaanlagen, Heizungen, Aufzüge, Beleuchtung, U-Bahnen, Züge und Flughäfen kamen zum Stillstand, und selbst die Operationstische im Krankenhaus wurden stockdunkel. Die Unterbrechung dauerte zwölf Stunden, fast sechs Millionen Menschen litten unter der bitteren Kälte von minus 20 Grad Celsius, viele Menschen verloren ihr Leben. Der Stromausfall betraf Quebec und die umliegenden Gebiete in Nordamerika. Später stellte sich heraus, dass die Katastrophe auf zwei starke Sonneneruptionen zurückzuführen war, die sich vor drei oder vier Tagen, am 9. und 10. März desselben Jahres, ereignet hatten. Zahlreiche Plasmahaufen wurden mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen, die sich zu einer Strömung vereinten und das Magnetfeld der Erde beeinflussten. Im nordamerikanischen Stromnetz wurden zusätzliche Induktionsströme erzeugt, die zu einer erheblichen Überlastung des Stromnetzes, zum Durchbrennen von Transformatoren und anderen Geräten sowie zu großflächigen Stromausfällen führten.

Während Halloween 2003 beschädigte eine Reihe von Sonneneruptionen einige wissenschaftliche Satelliten in Europa, den Vereinigten Staaten und meinem Land, störte die globale Satellitenkommunikation, verursachte schwerwiegende Abweichungen bei der GPS-Positionierung und legte einige Transportsysteme lahm, die in unterschiedlichem Ausmaß auf sofortige Kommunikation und Positionsbestimmung angewiesen waren. Dieses Ereignis ging als „Halloween-Sturm“ in die Geschichte ein. Sonnenstürme haben eine sehr starke zerstörerische Wirkung auf High-Tech-Systeme wie die Luftfahrt, die Satellitenkommunikation und -navigation in der Luft- und Raumfahrt, den Betrieb großer Stromnetze und die Sicherheit wichtiger Länder. Die zuverlässige Vorhersage des Auftretens von Sonnenstürmen ist für die heutige Gesellschaft, die in hohem Maße von den oben genannten Hightech-Systemen abhängig ist, besonders wichtig.

Abbildung 1: Schematische Darstellung eines Sonnensturms

Ob es sich nun um eine Sonneneruption oder einen koronalen Massenauswurf handelt, der Ursprung liegt letztlich im solaren Magnetfeld. Das sich verändernde solare Magnetfeld kann nicht nur Sonnenflecken in der Sonnenphotosphäre erzeugen, sondern auch das Auftreten von Sonneneruptionen und koronalen Massenauswürfen auslösen. Um den Ursprung und die Auftretensmuster von Sonnenstürmen zu untersuchen, haben Wissenschaftler eine Vielzahl erd- oder weltraumgestützter Sonnenteleskope entwickelt und gebaut. Unter ihnen sind erdgebundene Sonnenteleskope relativ kostengünstig und einfach zu warten und zu bedienen. Zum Beispiel das Solar Magnetic Field Telescope am Huairou Solar Observatory des National Astronomical Observatory der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, das Solar Radio Spectrometer MUSER am Mingantu Observatory und das Ein-Meter-Vakuum-Sonnenteleskop NVST am Yunnan Observatory am Ufer des Fuxian-Sees. Aufgrund des Einflusses der Erdrotation können erdgebundene Teleskope jedoch einerseits nur tagsüber Beobachtungen durchführen. Andererseits kann die Sonne aufgrund der Absorption, Abschirmung und Interferenz der Erdatmosphäre in vielen Bändern, beispielsweise im Ultraviolett- und Röntgenbereich, nicht beobachtet werden. Daher ist das Weltraum-Sonnenteleskop für die Menschheit zum wichtigsten Instrument zur Erforschung und Überwachung der Sonne geworden. Seit den 1960er Jahren haben Länder auf der ganzen Welt mehr als 70 Satelliten zur Sonnenbeobachtung gestartet. Im Jahr 2018 startete die US-amerikanische Sonnensonde Parker ins All, um die Sonne aus einer noch nie dagewesenen Nähe zu beobachten und zu erforschen und dabei zahlreiche wissenschaftliche Ergebnisse zu erzielen. Allerdings hat China als große Weltraummacht noch keine Weltraumreise unternommen, um Sonne und Himmel zu erkunden!

Abbildung 2: Die wichtigsten Sonnenbeobachtungsstationen meines Landes

Das Advanced Space-based Solar Observatory (ASO-S), eines der strategischen Schwerpunktprojekte der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, soll gegen Ende 2021 ins All geschossen werden und damit die Lücke in Chinas Weltraumforschung von Sonne und Himmel schließen. Das „Advanced Space-based Solar Observatory“ wird drei Instrumente tragen, nämlich den Vollscheiben-Vektormagnetographen zur Beobachtung des Sonnenmagnetfelds, den Hard X-ray Imager zur Beobachtung nichtthermischer Phänomene von Sonneneruptionen und das Lyman-Alpha Solar Telescope zur Beobachtung koronaler Massenauswürfe.

Zusätzlich zu den kombinierten Eigenschaften der drei Instrumente verfügt jedes von ihnen über seine eigenen Besonderheiten. Beispielsweise verfügt der Vollscheiben-Vektor-Magnetoimager über eine relativ hohe zeitliche Auflösung; Der Bildgeber für harte Röntgenstrahlen verfügt über 99 Detektoren, die größte Anzahl ähnlicher Teleskope auf der Welt. und das Lyman-Alpha-Sonnenteleskop selbst arbeitet in einem der modernsten Beobachtungsfenster der Welt.

Um die oben genannten Erkennungsgeräte zu entwickeln, müssen zahlreiche wichtige technische Probleme überwunden werden. Beispielsweise entsprechen die 99 Sonden eines Bildgebungsgeräts für harte Röntgenstrahlen 99 kleinen Augen, vor denen Gitter aus Hartmetall angebracht sind. Röntgenphotonen müssen die Lücken in den Gittern passieren. Der schmalste Spalt beträgt lediglich 18 Mikrometer und ist damit dünner als ein Haar. Die Verarbeitung ist sehr schwierig und Faktoren wie Wärmeausdehnung und -kontraktion, raue Weltraumbedingungen und der Startvorgang müssen umfassend berücksichtigt werden. Das Lyman-Alpha-Sonnenteleskop ist ein brandneues Beobachtungsfenster im In- und Ausland. Es gibt keinen Präzedenzfall, aus dem man lernen könnte, und alles muss von Grund auf neu erforscht werden.

Das Advanced Space-based Solar Observatory wird in einer sonnensynchronen Umlaufbahn 720 Kilometer über der Erdoberfläche betrieben. Die Umlaufbahn verläuft durch den Nord- und Südpol der Erde und hat eine Neigung von 98 Grad, wodurch eine kontinuierliche Beobachtung der Sonne rund um die Uhr gewährleistet ist. Es wird erwartet, dass es mindestens vier Jahre im Orbit bleibt. Dieser Zeitraum ist zufällig das Spitzenjahr des 25. Sonnenaktivitätszyklus. In diesem Zeitraum werden hochqualitative Mehrbandbeobachtungen und Untersuchungen der starken Sonneneruptionsaktivitäten durchgeführt, um eine zuverlässige Grundlage für die Vorhersage katastrophaler Weltraumwetterereignisse zu schaffen.

Tatsächlich ist die Sonne nur ein gewöhnlicher Stern unter Milliarden von Sternen am riesigen Sternenhimmel. Der Grund, warum es am schillerndsten ist, liegt einfach darin, dass es uns am nächsten ist. Daher ist es auch die Sternprobe, die wir am sorgfältigsten und mit der höchsten räumlichen Auflösung beobachtet haben. Es handelt sich außerdem um den größten Plasma-Feuerball im Weltraum, den wir im Detail beobachten können. Es kann als natürliches Labor für moderne Astrophysik und Plasmaphysik dienen. Hochauflösende Multibandbeobachtungen der Sonne werden die Entwicklung von Disziplinen wie der Astrophysik und der Grundlagen der Plasmaphysik erheblich vorantreiben und bieten Möglichkeiten für bedeutende wissenschaftliche Entdeckungen.

Abbildung 3: Die Hauptdetektoren des Advanced Space-based Solar Observatory meines Landes

Lange Zeit lag die Gesamtzahl der Forschungsarbeiten zur Sonnenphysik in meinem Land auf Platz zwei der Welt, doch die meisten davon basierten auf Beobachtungsdaten europäischer und amerikanischer Sonnenbeobachtungssatelliten, was bis zu einem gewissen Grad ein „Engpassproblem“ darstellte. Denn das Niveau der Forschung und Beobachtung im Bereich der Sonnenphysik steht in direktem Zusammenhang mit der Fähigkeit, das Weltraumwetter vorherzusagen, und die Vorhersage des Weltraumwetters ist mit einer Reihe wichtiger nationaler Bedürfnisse verknüpft, etwa in der Luftfahrt, der Satellitenkommunikation und -navigation in der Luft- und Raumfahrt sowie der nationalen Sicherheit. Wenn wir nicht über ein unabhängiges Beobachtungsdatensystem verfügen und die großen europäischen und amerikanischen Mächte uns den Zugriff auf die entsprechenden Beobachtungsdaten verwehren, besteht für unsere verschiedenen Hightech-Systeme die Gefahr einer Lähmung. Nach dem Start des „Advanced Space-based Solar Observatory“ ins All, kombiniert mit einer Reihe erdgebundener Sonnenbeobachtungsgeräte, verfügen wir nicht nur über unabhängige Multiband-Sonnenbeobachtungsdaten aus erster Hand und können so das Risiko, steckenzubleiben, überwinden, sondern werden auch Chinas Stärke in die internationale astronomische Forschung einbringen.

Nach dem „Advanced Space-based Solar Observatory“ werden chinesische Wissenschaftler auf ihrem Weg zur Erforschung von Sonne und Himmel weiterhin eine Reihe der neuesten bodengestützten und weltraumgestützten Solarforschungsprogramme vorantreiben, damit sich mein Land vollständig von der Abhängigkeit von den großen europäischen und amerikanischen Mächten lösen und wirklich zu einer Weltmacht in der Luft- und Raumfahrt werden kann.

Autor: Tan Baolin, Nationales Astronomisches Observatorium, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Gutachter: Pang Zhihao, Chefexperte für wissenschaftliche Kommunikation der National Space Exploration Technology

Dieser Artikel wurde vom Tencent-Team „Everyone Loves Science“ veröffentlicht.

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