In Jena findet derzeit gerade die Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft statt. Eine gute Gelegenheit für mich, wieder mal ein paar Vorträge aus der aktuellen Forschung anzuhören und mit den Kollegen aus der Wissenschaft zu plaudern. Heute morgen gab es ein besonderes Highlight: Edward Stone sprach über die Reise der Voyager-Sonden. Und Stone weiß wovon er spricht! Er ist seit 1972 als Wissenschaftler beim Voyager-Projekt dabei, hat also nicht nur den kompletten Flug erlebt, sondern auch die Phase vor dem Start im Jahr 1977.

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Über die Voyager-Sonden haben ich früher schon mal geschrieben – aber im Vortrag von Stone gab es viele interessante Details und neue Ergebnisse. Ursprünglich war es ja der Job der beiden Sonden, das äußere Sonnensystem zu erforschen. Gary Flandro entdeckte 1965 dass sich Ende der 1970er Jahre eine fast einmalige Gelegenheit dafür ergeben wird. Alle vier großen Planeten des äußeren Sonnensystems waren genau so ausgerichtet, dass man sie mit einer Raumsonde bei einem Flug besuchen kann. Die Möglichkeit dieser Planetary Grand Tour wollte man unbedingt nutzen und schickte 1977 zwei Sonden auf den Weg. Voyager 1 besuchte Jupiter und Saturn während Voyager 2 an allen vier Gasplaneten vorbei fliegen würde. Die Daten lieferten ein völlig neues Bild des Sonnensystems – so entdeckte man zum Beispiel, dass der Jupitermond Europa von einer dicken Schicht aus Eis bedeckt war und darunter einen Ozean aus Wasser haben könnte.

Schon von Anfang an war aber klar, dass man auf jeden Fall so lang und so weit fliegen würde, wie es nur geht. Man wollte wissen, wie es hinter den Planeten aussah und wo das Sonnensystem zu Ende ist. Deswegen flogen die Sonden auch nicht auf dem gleichen Kurs sondern nahmen unterschiedliche Wege in Richtung des interstellaren Raums. Man wusste zwar, dass das Sonnensystem irgendwo zu Ende sein musste. Aber es war nicht klar, wie weit der Einfluss der Sonne reichen würde. Die Modellrechnungen waren nicht eindeutig. Zum Glück war die Grenze nicht allzu weit weg und so konnten die Sonden in den letzten Jahren die äußersten Regionen erreichen. Es hätte genau so gut doppelt so lange dauern können…

Wie man sich diese Regionen vorstellen kann, lässt sich in einem simplen Experiment nachvollziehen. Man braucht dazu nur einen normale Küchenspüle.

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Lässt man einen dünnen Strahl Wasser aus dem Hahn laufen und auf den Boden der Spüle treffen, dann kann man dort das gleiche beobachten wie im Sonnensystem. Die Stelle bei der das Wasser auf den Boden auftrifft entspricht der Sonne und das radial davon wegströmende Wasser entspricht dem Sonnenwind, also der stetigen Teilchenstrahlung, die die Sonne neben ihrem Licht ins All schickt. Je weiter sich das Wasser entfernt, desto langsamer wird es und irgendwann hat es nicht mehr genug Schwung, um das restliche Wasser zur Seite zu drücken. Es bildet sich eine Art Bugwelle. Im Sonnensystem entspricht das dem “Termination Shock”, der Region, in der die Teilchenstrahlung der Sonne langsamer als der Schall wird. Solange sich das Plasma von der Sonne mit Überschallgeschwindigkeit (damit ist nicht die Überschallgeschwindigkeit auf der Erde gemeint, die bezieht sich speziell auf die Dichte und Zusammensetzung unserer Atmosphäre) bewegt, ist es schneller als etwaige Störungen. Erst bei Unterschreitung der Schallgeschwindigkeit können sich die Störungen auswirken und der Sonnenwind wird abgebremst. Danach folgt die “Heliosheath”, ein Bereich, in dem sich die Teilchen des Sonnenwinds langsamer bewegen und mit den Teilchen die aus der Gegenrichtung kommen – dem interstellaren Raum – vermischen. Irgendwann sind sie so weit abgebremst, dass es keinen Unterschied mehr zwischen der Strömung des Sonnenwind und den Teilchen des interstellaren Raums gibt. Diese Grenze ist die Heliopause und dahinter ist das Sonnensystem zu Ende. (Zumindest was den Einfluss des Sonnenwinds und des Magnetfelds angeht. Der gravitative Einfluss der Sonne reicht noch viel, viel weiter und jede Menge Kometen und Asteroiden umkreisen die Sonne außerhalb der Heliopause)

Soweit die simple Version, die Realität hat sich aber als etwas komplexer herausgestellt. Man hat zum Beispiel festgestellt, dass Voyager 1 schon bei einer Entfernung von 94 Astronomischen Einheiten die ersten Effekte des Termination Schock spürte, Voyager 2 aber schon bei 84 Astronomischen Einheiten. Die interstellaren Magnetfelder scheinen also einen asymmetrischen Einfluss auf die geladenen Teilchen des Sonnenwinds auszüben.

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In der Heliopause erwartet man sich auch, dass der Sonnenwind seine Richtung ändert. In radialer Richtung, also von der Sonne weg, sollte er langsamer werden und nach “hinten” wegströmen. Man hat tatsächlich eine Verlangsamung in radialer Richtung gemessen. Aber auch in alle anderen Richtung. Zwischen 113 und 123 Astronomischen Einheiten scheint sich eine Region der “Quasi Stagnation” zu befinden, in der sich recht wenig tut. Allerdings nur dort, wo Voyager 1 gerade herum fliegt. Bei Voyager 2 verhält sich der Sonnenwind genau so, wie er sollte. Auch die kosmische Strahlung, die von außen kommt, sollte stärker werden je weiter sich die Sonden der Heliopause nähern. Denn je weniger Druck die Teilchen von der Sonne ausüben, desto mehr kosmische Strahlung kann eindringen. Und das tat die Strahlung auch. Innerhalb von nur einer Woche wurde sie sehr viel stärker. Und dann wieder schwächer… Und dann wieder stärker… Voyager 1 scheint eine recht seltsame Region durchflogen zu haben.

Ist man nun “draußen” oder nicht?. Die Messungen der kosmischen Strahlung und der Teilchen des Sonnenwinds deuteten kar darauf hin: Man war draußen. Aber wenn man den Einfluss der Sonne wirklich verlassen hatte, dann müsste man das auch am Magnetfeld ändern. Das wickelt sich ja wie eine große Spirale um die Sonne nach außen und je weiter man sich von ihr entfernt, desto stärker muss es daher von Ost nach West verlaufen. Das interstellare Magnetfeld dagegen verläuft eher von Nord nach Süd. Die Voyager-Sonden haben deshalb natürlich auch das lokale Magnetfeld vermessen und bis jetzt noch keine Veränderung gemeint. Was die Magnetfelder angeht, sind die Sonden also noch “drinnen”.

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Es gibt also noch viel zu erforschen und viel zu verstehen. Aber zum Glück fliegen die Sonden ja noch weiter. Mindestens bis 2025, wenn die Geräte durchhalten. Und in der Zeit wird man sicher noch die eine oder andere spannende Entdeckung machen. Für vergleichsweise wenig Geld übrigens. Stone erklärte zum Abschluss, dass die Mission bis jetzt insgesamt 900 Millionen Dollar gekostet habe und derzeit nur 5 Millionen Dollar pro Jahr benötigt. Dieses Geld ist definitiv gut angelegt!

Kommentare (21)

  1. #1 Jens
    28. Februar 2013

    Ich nehme nicht an, dass die Sonden noch Fotos an die Erde schicken, oder? Wann wurden eigentlich die letzten empfangen?

  2. #2 Jens
    28. Februar 2013

    Ah, Wikipedia ist mein Freund. Zur Voyager 1 ist dort zu lesen: “Am 14. Februar 1990 wurde das ISS-Instrument ein letztes Mal für die Erstellung eines einzigartigen Fotos aktiviert”

  3. #3 JaJoHa
    28. Februar 2013

    Interessanter Artikel, macht immer wieder Spaß so was zu lesen.
    Welcher Teil der kosmischen Strahlung nimmt denn zu? Sollte doch eigentlich nur im energiearmen Bereich zunehmen oder tut es das auch im hochenergetischen Bereich?

  4. #4 Florian Freistetter
    28. Februar 2013

    @JaJoHa: “Welcher Teil der kosmischen Strahlung nimmt denn zu? Sollte doch eigentlich nur im energiearmen Bereich zunehmen oder tut es das auch im hochenergetischen Bereich?”

    Da gabs sogar eine Folie beim Vortrag, wo die ersten Messungen des interstellaren Spektrums gezeigt wurden. Ich hab aber vergessen, ein Foto zu machen 🙁 Vielleicht gibts den Vortrag irgendwo online oder schon ein paper dazu. Muss ich mal schauen…

  5. #5 Pete
    28. Februar 2013

    @FF, wo Du gerade bei aktueller Forschung bist, wird das hier auch noch ein Thema fuer das Blog werden?
    http://www.heise.de/newsticker/meldung/Astronomen-fotografieren-Geburt-eines-Exoplaneten-1814236.html

    Pete

  6. #6 Florian Freistetter
    28. Februar 2013

    @Pete: Danke für die Info. Hab ich natürlich mitbekommen (ist ja nicht so nicht, dass ich die Neuigkeiten aus der Astronomie nicht verfolgen würde). Aber der Tag hat nur 24 Stunden und ich kann nicht über alles gleich bloggen wenns bekannt wird. Als Blogger kriegt man ja auch leider keine Vorabinfo über solche Geschichte wie es bei anderen Journalisten der Fall ist – die haben genug Zeit, um sich auf sowas vorzubereiten und darüber zu recherchieren. Bis ich darüber schreiben werde wirds noch ein wenig dauern. Nächste Woche vielleicht.

  7. #7 griEsl
    28. Februar 2013

    in der bdw 01/13 gabs diesbzgl einen intressanten artikel von ute kehse “die seltsame grenze des sonnensystems”

  8. #8 Manfred Hofemann
    Sibulan
    28. Februar 2013

    Danke fuer den Artikel.
    Voyager ist mein besonderer Liebling.

  9. #9 Christoph
    28. Februar 2013

    Wunderbar, das Beispiel mit der Spüle!

    Aber: Wie hoch ist denn die Schallgeschwindigkeit im Sonnensystem? Äh: Wie wird Schall dort überhaupt transportiert, da ist doch eigentlich gar kein Übertragungsmedium ¿≈?!

  10. #10 KeinAnfang
    1. März 2013

    Hallo ich hätte da mal eine Frage.
    Bitte aber nicht schlagen, ich mein es so wie ich es schreibe.
    Das ist KEIN “so was von Verschwendung” Kommentar.

    Wofür werden diese 5 Millionen eigentlich benötigt?
    Die Sonde kostet nichts mehr und soooooo viele Leute werden ja auch nicht mehr ihre Hauptarbeitszeit mit der Datenauswertung und der Missionsplanung verbringen.

    PS.: Ich hoffe die beiden halten noch lange durch.

  11. #11 Florian Freistetter
    1. März 2013

    @KeinAnfang: “Wofür werden diese 5 Millionen eigentlich benötigt?”

    Hmm. Naja, die ganzen Anlagen mit denen man Kontakt zur Sonde hält werden auch laufende Kosten haben. Um mit so weit entfernten Objekten kommunizieren zu können braucht man schon ein paar SEHR große Antennen. Ich denke, das macht einen großen Teil der Kosten aus.

  12. #12 Manfred Hofemann
    Sibulan, Philippines
    1. März 2013

    2025 ist wohl schluss. Dann ist Lebensdauer der Batterien am Ende . Dasselbe gilt auch fuer die Thermoelemente in den Batterien.
    Es ist eine beeindruckende Leistung

  13. #13 Pete
    1. März 2013

    @FF, (#6)
    klar, dass der Tag nur 24 Stunden hat. Mein Hinweis war auch nicht in der Richtung gedacht “Schreib was, und zwar jetzt”. Es genuegt doch, wenn demnaechst dazu etwas kommt. Man muss ja auch erstmal recherchieren (damit es einen Artikel in gewohnter FF-Qualitaet gibt).

    Pete

  14. […] Gesellschaft statt. Über zwei besonders interessante Vorträge dort habe ich schon hier und hier berichtet. Aber es gab natürlich noch viel mehr Programm, auch wenn ich mir leider bei weitem […]

  15. […] Voyager 1 wäre schon “draußen” – aber sie ist es noch nicht. Ich habe kürzlich über die aktuellen Forschungsdaten berichtet. Die Heliopause ist quasi eine “elektromagnetische Grenze”. Dort endet der Einfluss von […]

  16. #16 Niklas K.
    Mainz
    21. Juni 2015

    “… dass die Mission bis jetzt insgesamt 900 Millionen Dollar gekostet habe und derzeit nur 5 Millionen Dollar pro Jahr benötigt. Dieses Geld ist definitiv gut angelegt!”
    Das bezweifle ich. Welcher Nutzen ergibt sich für die Menschheit aus den Erkenntnissen? Sicher ein bisschen, generell aber nichts weltrettendes.
    Mit 900.000.000 $ und jedes Jahr noch mal zusätzlichen 5.000.000 $ könnte man echt mega viel Gutes tun statt es wortwörtlich ins All zu schleudern. Wobei ich aber auch bezweifle, dass ohne so ein Projekt derartige Summen zusammenkommen würden…

  17. #17 PDP10
    21. Juni 2015

    @Niklas K.:

    Möchtest du deine Kritik nicht lieber zB. an die Ausrichter der Europaspiele in Baku richten?

    Die kosten wahrscheinlich so um die 6 Milliarden €, werden von einer Diktatur ausgerichtet, dauern gerade mal 2 Wochen und sind (auch sportlich) so relevant wie ein leiser Furz.

    http://www.focus.de/sport/mehrsport/baku-2015-die-europaspiele-in-baku-im-ueberblick_id_4737304.html

  18. #18 Spritkopf
    21. Juni 2015

    @Niklas K.

    Sicher ein bisschen, generell aber nichts weltrettendes.

    Verstehe ich das richtig, dass du ausschließlich in Forschung investieren würdest, die das Potential hätte, die Welt zu retten? Und wenn ja, was zählt für dich als “weltrettend” und wie entscheidest du, auf welche Forschung dies zutrifft, wenn du sie erst gar nicht durchführst (und somit auch nicht weißt, welche Ergebnisse sie erbringt)?

  19. #19 Desolace
    22. Juni 2015

    @Niklas K

    Florian hat schon viel über Grundlagenforschung geschrieben, hier ist so ein Artikel, und am Ende verlinkt er noch auf zwei weitere Posts über Wert und Bedeutung von Grundlagenforschung…
    http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2015/03/24/der-bund-der-deutschen-steuerzahler-vs-grundlagenforschung-der-fall-der-peruanischen-pilgermuschel/
    Und irgendwo gabs doch auch einen Artikel über die Kosten von Curiosity (?) und was zB die Kriegsmacherei so kostet… (aber den finde ich grad nicht)

  20. #21 Bullet
    22. Juni 2015

    Mit 900.000.000 $ und jedes Jahr noch mal zusätzlichen 5.000.000 $ könnte man echt mega viel Gutes tun

    Joah, zum Beispiel etwas Grundlagenforschung betreiben. Damit wir möglicherweise bald auf fossile Brennstoffe verzichten können. Oder Bergbau auf der Erde. Oder oder oder … Grundlagenforschung eben. Du weißt nie vorher, was du bekommst. An was für “mega gutes” hast du denn so gedacht?