Interstellarer Staub gewährt neue Einblicke in die Lokale Flocke

27. Oktober 2015, 06:00
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Forscher präsentieren umfassende Ergebnisse der Analyse von Staubpartikeln aus den Tiefen des Weltraums

Die Weltraumsonde Ulysses brach 1990 zu einer der herausragendsten Missionen der europäischen Forschungsgeschichte auf: Das Kooperationsprojekt zwischen Esa und Nasa hatte in erster Linie die Erforschung der Sonne zum Ziel. Dafür wurde Ulysses auf eine polare Sonnenumlaufbahn geschickt, für die sie sich beim Jupiter ordentlich Schwung holte. Es war die erste Sonde überhaupt, die unser Zentralgestirn in einem zur Ekliptik um rund 90 Grad verschobenen Orbit umkreiste.

Die zweite Aufgabe von Ulysses galt interstellaren Staubpartikeln, die die Sonde auf ihrer 19 Jahre dauernden Mission einfangen und analysieren sollte. Mehr als 900 von ihnen spürte Ulysses auf. Nun legten Wissenschafter erstmals eine umfassende Analyse dieses bisher größten Datensatzes interstellarer Staubteilchen vor. Ihre Bilanz: Im Einflussbereich der Sonne können sich Flugrichtung und -geschwindigkeit der Teilchen stärker ändern als bisher gedacht.

Seit etwa 100.000 Jahren durchquert unser Sonnensystem mit einer Geschwindigkeit von etwa 80.000 Kilometer pro Stunde die Lokale Flocke – eine Wolke aus interstellarer Materie mit einem Durchmesser von 30 Lichtjahren. Mikroskopisch kleine Staubteilchen aus dieser Wolke bahnen sich ihren Weg bis ins innere Sonnensystems. Für Forscher sind sie eine Art Botschafter aus den Tiefen des Alls und enthalten grundlegende Informationen über unsere entferntere kosmische Heimat.

Mehrere Staubfänger

Mehrere Raumsonden haben die "zugereisten" Teilchen in der Vergangenheit aufgespürt und charakterisiert. Zu ihnen zählen Galileo und Cassini, welche die Gasplaneten Jupiter und Saturn zum Ziel hatten, sowie die Mission Stardust, die im Jahr 2006 eingefangene interstellare Staubteilchen zur Erde brachte. "Die Daten von Ulysses, die wir jetzt erstmals in ihrer Gesamtheit ausgewertet haben, sind einzigartig", sagt Harald Krüger vom Göttinger Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung. 16 Jahre lang untersuchte das Instrument an Bord von Ulysses fast ohne Unterbrechungen den Teilchenstrom von außerhalb unseres Sonnensystems. Im Vergleich dazu lieferten andere Missionen nur Momentaufnahmen.

Den Daten der mehr als 900 Teilchen, die das Staubinstrument von Ulysses detektierte, haben die Forscher die bisher detailliertesten Informationen über Masse, Größe und Flugrichtung der interstellaren Wanderer entnommen. Computersimulationen halfen dabei, die verschiedenen Einflüsse der Sonne zu verstehen und voneinander zu trennen.

So bestätigten sich frühere Analysen, wonach der interstellare Staub stets in ungefähr derselben Richtung das Sonnensystem durchquert. Sie entspricht der Richtung, in der sich das Sonnensystem und die Lokale Flocke relativ zueinander bewegen. "Kleinere Abweichungen von dieser Hauptrichtung hängen von der Masse der Teilchen und vom Einfluss der Sonne ab", sagt Peter Strub vom Göttinger Max-Planck-Institut.

Richtungsänderung bei interstellaren Teilchen

Im Jahr 2005 allerdings zeigte sich ein anderes Bild: Die weitgereisten Teilchen erreichten den Staubdetektor aus einer verschobenen Richtung. "Unsere Simulationen legen nun nahe, dass auch dieser Effekt auf die Schwankungen des Sonnenmagnetfelds zurückzuführen ist", erklärt Veerle Sterken vom International Space Science Institute in Bern. "Veränderte Ausgangsbedingungen in der Lokalen Flocke sind vermutlich nicht der Grund."

Auch Größe und Beschaffenheit der Teilchen nahmen die Forscher unter die Lupe. Während die meisten der Staubpartikel im Durchmesser zwischen einem halben und 0,05 Mikrometern (Tausendstel Millimeter) messen, gibt es auch einige auffallend große Exemplare von mehreren Mikrometern Größe. "Bemühungen, die Staubteilchen außerhalb unseres Sonnensystems von der Erde aus zu beobachten und zu charakterisieren, liefern keine derart großen Teilchen", sagt Krüger.

Im Gegenzug finden sich die sehr kleinen Teilchen, die Astronomen mit Teleskopen typischerweise nachweisen, nicht in den Ulysses-Messungen. Wie Computersimulationen zeigen, laden sich diese Winzlinge im Vergleich zu ihren Massen im Einflussbereich der Sonne stark elektrisch auf, werden abgelenkt und so aus dem Hauptteilchenstrom herausgefiltert.

Poröse Partikel

Die Simulationen deuten zudem darauf hin, dass der exotische Staub eine geringe Dichte aufweist und somit porös ist. "Die innere Struktur der Teilchen kann der Ulysses-Staubdetektor zwar nicht messen", so Sterken. "Am Computer können wir jedoch verschiedene Dichten ausprobieren. Mit porösen Teilchen lassen sich die Messdaten von Ulysses am besten rekonstruieren."

Die Zusammensetzung der interstellaren Partikel konnten die Forscher mit dem Staubinstrument auf Ulysses nicht untersuchen. Dies ist jedoch mit dem am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg entwickelten Nachfolgeinstrument auf der Cassini-Sonde möglich. Diese Messungen werden ganz neue Einblicke in die Entstehungsbedingungen und die Entwicklung der interstellaren Teilchen gewähren.

Die Messungen interstellarer Staubteilchen im Sonnensystem erlauben somit einen Blick in die Lokale Flocke, die sich sonst nur durch Beobachtungen von der Erde aus untersuchen lässt. Bei zukünftigen Ausschreibungen der europäischen Weltraumagentur ESA wollen sich Staubforscher mit eigenen Vorschlägen für Missionen zur Untersuchung von interstellarem Staub beteiligen. (red, 26.10.2015)

  • Zwischen 1990 und 2009 umkreiste Ulysses die Sonne auf einer polaren Umlaufbahn. Dabei hat sie nicht nur unser Zentralgestirn untersucht, sondern auch interstellaren Staub eingesammelt und analysiert.
    illu.: esa

    Zwischen 1990 und 2009 umkreiste Ulysses die Sonne auf einer polaren Umlaufbahn. Dabei hat sie nicht nur unser Zentralgestirn untersucht, sondern auch interstellaren Staub eingesammelt und analysiert.

  • Die Lokale Flocke (im Englischen Local Cloud) hat einen Durchmesser von rund 30 Lichtjahren.
    illu.: nasa/goddard/adler/u. chicago/wesleyan

    Die Lokale Flocke (im Englischen Local Cloud) hat einen Durchmesser von rund 30 Lichtjahren.

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