Untersuchung der Sonne

26.08.2018

Grundlagen

Interstellarer Wasserstoff erzeugt Emissionen einer genau definierten Frequenz von 1420,405 MHz, der sog. H1-Linie. Die Verteilung dieses Wasserstoffes in unserer Galaxis gibt Aufschluss über deren Masseverteilung und liefert über den Doppler-Effekt Ausagen über die Geschwindigkeit, mit der sich diese Wasserstoffmassen in Bezug auf unser Sonnensystem bewegen. Auch unsere Sonne besteht vor allem aus Wasserstoff, der in ihrem Inneren zu schwereren Elemente fusioniert und damit die Energie erzeugt, die sie zum Leuchten bringt. Ihre Oberflächentemperatur beträgt ca. 5 800 K, das Gas der äußeren  Korona dagegen kann bis zu 2 Millionen Grad heiß sein. Die Oberfläche der Sonne wirkt wie ein Schwarzer Strahler und emittiert somit Radiowellen über ein weites Spektrum. Anomalien in der oberen Schichten der Sonnen erzeugen Sonnenflecken, mitunter entstehen auch Sonnenstürme (Flares), beide können die Radiostrahlung in erheblichem Maße verstärken.

Die Richtwirkung unseres 3,8 m Reflektors erlaubt es, Objekte am Himmel durch Vorgabe eines Azimut- und Elevationswinkels mit einer hohen Genauigkeit anzusteuern und nachzuführen. Die verwendeten Antennen und Spezialempfänger sind für den Empfang der H1-Linie optimiert und weisen ein hinreichend geringes Rauschen auf, um auch quantitative Auswertungen zu ermöglichen. Jedoch sind auch Messungen mit einem SAT-LNC im Frequenzbereich zwischen 10 und 12 GHz möglich, das das Signal durch den eingebauten Frequenzumsetzer auf 1 - 2 GHz auch von den vorhandenen Messgeräten ausgewertet werden kann.

Aktivität der Sonne

Unsere Sonne hat einen Durchmesser von 1,4 Millionen Kilometern und ist im Mittel 149 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, damit ist sie mit Abstand die stärkste Radioquelle am Himmel. 

Während die im optischen Bereich die Sonne nur mit speziellen Filtern beobachtet werden kann und darf, kann man kleinere Radioteleskope wie unseren 3,8 m Reflektor direkt auf die Sonne richten. Da der Reflektor zu einem gewissen Teil aber auch die Wärmestrahlung (Infrarot) im Fokus bündelt, ergibt sich dort eine deutliche Temperaturerhöhung, die ggf. berücksichtigt werden muss. Bei größeren Reflektoren kann die Temperatur im Fokus dagegen so hoch werden, dass Komponenten zerstört werden, wenn keine geeigneten Maßnahmen (großflächige Sonnenfilter zwischen Reflektor und Fokus) eingesetzt werden.

Selbst bei Einsatz eines LNC im Bereich von 10 GHz ist der Beam-Angle unseres Reflektors so groß, dass immer die gesamte Sonne erfasst wird. Eine Lokalisierung z.B. einzelner Sonnenflecken ist somit also nicht möglich.

Allgemeines Projektziel und mögliche Schwerpunkte

Ziel dieses Projektes ist es, anhand von nachgeführten Langzeit-Aufnahmen die Aktivität der Sonne zu messen. Dazu kann sowohl ein schmalbandiger Empfänger bei der H1-Linie als auch ein breitbandiger LNC bei 10 GHz eingesetzt werden. Die Unterschungen können dabei unterschiedliche Schwerpunkte haben:

Einfluss der Atmosphäre

Je nach Höhe über dem Horizont durchdringt die Strahlung einen mehr oder weniger großen Teil der Atmosphäre. Eine Analyse der Daten in Abhängigkeit vom Sonnenstand (Elevation) kann zusätzliche Korrekturdaten für die interstellare Radioastronomie liefern, um diese Absorptionseffekte zu kompensieren.
Bei geeigneten Wetterbedingungen sind auch Messungen möglich, bei denen die Sonne mehr oder weniger stark durch Wolken verdeckt wird. Da diese sehr große Mengen an Wasserdampf enthalten, kann dies ebenfalls zu einer geringfügigen zusätzlichen Absorption führen. Für eine quantitative Analyse wäre es allerdings erforderlich, die Höhe der Wolkenunterseite und die Gesamthöhe der Wolke zu bestimmen, was nicht ganz einfach sein dürfte.

Einfluss der Erdbahnexzentrik

Der Abstand zwischen Erde und Sonne schwankt zwischen 147 (Winter auf der nördlichen Halbkugel) und 152 Millionen Kilometer (Sommer). Nach dem Abstandsgesetz muss sich bei als im Mittel konstant angenommener Strahlungsintensität die auf der Erde gemessene Intensität ebenfalls verändern. Der Effekt sollte ca. 6 % betragen und somit nachweisbar sein. Dazu wären im Jahresverlauf mehrere Messungen unter sonst gleichen Bedingungen aufzunehmen und zu vergleichen.

Korrelation mit Sonnenflecken

Kombiniert man Intensitätsmessungen mit optischen Aufnahmen bei Einsatz entsprechender Filter, kann ein Zusammenhang zwischen der Anzahl von Sonnenflecken und der entsprechenden Radiostrahlung hergestellt werden. Da der Sonnenfleckenzyklus jedoch ca. 11 Jahre beträgt, ist dies ein Langzeitprojekt.

Korrelation mit Sonnenflares

Führt man Langzeitmessungen durch, ist es möglich, die Beobachtungen mit dem Auftreten von Sonnenstürmen zu korrelieren, die ohnehin als Frühwarnsystem für die Astronauten der ISS oder die geostationären Satelliten erhoben werden. Da solche Flares nicht vorhersagbar sind, müssten entsprechende Messungen prophylatisch erfolgen und bei Bestätigung eingetretener Flares einer näheren Auswertung unterzogen werden.