Im Sonnenwind herrscht offenbar mehr Ordnung, als sein Name vermuten lässt. Messungen der NASA-Sonde Parker Solar Probe zeigen, dass sich magnetische Schwankungen je nach Größe bevorzugt in entgegengesetzte Richtungen drehen: Größere Strukturen sind überwiegend linkshändig verdreht, kleinere dagegen rechtshändig. Die Turbulenz wirkt damit nicht völlig zufällig, sondern trägt ein statistisches Muster in sich.

Analysiert hat die Daten ein internationales Forschungsteam um Masatomi Iizawa von der Technischen Universität Braunschweig. Es untersuchte Magnetfeldmessungen aus dem Herbst 2021, als sich die Sonde der Sonne bis auf etwa 15 Millionen Kilometer näherte. Aus den zeitlichen Änderungen des Magnetfelds berechneten die Forschenden das Helizitätsspektrum. Es beschreibt, in welche Richtung magnetische Strukturen drehen und auf welchen Größenordnungen sie auftreten.

Eine Drehrichtung für groß, die andere für klein

Im Mittelpunkt steht die Grenzregion zwischen zwei Beschreibungen des Sonnenwinds: Auf größeren Skalen lässt sich das Plasma ähnlich wie eine Flüssigkeit betrachten. Auf kleineren Skalen werden dagegen die Bewegungen einzelner geladener Teilchen entscheidend. Genau dort scheint sich die beobachtete Richtungsumkehr abzuspielen.

Gemeint ist nicht, dass sich das gesamte Sonnenmagnetfeld plötzlich umdreht. Die Messungen zeigen vielmehr unterschiedliche Dreheigenschaften von Magnetfeldbewegungen verschiedener Größe. Sichtbar werden sie durch unterschiedliche Vorzeichen der magnetischen Helizität – ein Hinweis auf statistische Ordnung mitten in der Turbulenz.

Beim Vergleich von Messungen in Entfernungen von etwa 15 bis 60 Millionen Kilometern verschob sich die charakteristische Helizitätsstruktur im Spektrum von höheren zu niedrigeren Frequenzen. Unter den verwendeten Annahmen entspricht das einer Bewegung hin zu größeren räumlichen Strukturen.

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Für das Team ist das ein möglicher Hinweis auf eine inverse Kaskade. Magnetische Verflechtungen könnten sich dann entgegen der üblichen Energieverteilung nicht nur von großen zu kleinen Wirbeln weiterreichen, sondern zu größeren Mustern entwickeln. Eine bloße Ausdehnung des Sonnenwinds erklärt die gemessene Verschiebung nach den Berechnungen nicht vollständig.

Ganz ohne Vorbehalt ist dieser Schluss allerdings nicht. Die Daten zeigen einen räumlichen Trend, verfolgen aber nicht dieselbe Plasmaportion auf ihrem gesamten Weg. Ab etwa 75 Millionen Kilometern Sonnenabstand war die charakteristische Zweiteilung in der untersuchten Messreihe außerdem nicht mehr eindeutig zu erkennen. Als mögliche Ursachen kommen elektromagnetische Wellen und Plasmainstabilitäten infrage; wie das Muster genau entsteht, ist noch offen.

Ein Labor in der Nähe der Sonne

Die Parker Solar Probe ist für solche Fragen gebaut. Die NASA-Raumsonde erforscht die äußere Sonnenatmosphäre, vor allem die Korona, und wurde nach dem Astrophysiker Eugene N. Parker benannt, der den Begriff „Sonnenwind“ prägte. Gestartet wurde sie am 12. August 2018 mit einer Delta IV Heavy von Cape Canaveral.

Ihre Missionsziele reichen vom Energiefluss, der die Korona auf mehrere Millionen Grad erhitzt und den Sonnenwind beschleunigt, bis zur Plasma- und Magnetfeldstruktur am Entstehungsort des Sonnenwinds. Auch die Beschleunigung und Ausbreitung energiereicher Teilchen steht auf dem Programm.

Bis auf etwa 8,5 Sonnenradien kann sich die Sonde der Sonne nähern – rund 5,9 Millionen Kilometer oder etwa vier Prozent des Erdbahnradius. Die Idee einer Sonnensonde aus extremer Nähe wurde erstmals 1958 untersucht. Wegen der erwarteten Hitze blieb es aber jahrzehntelang bei Studien. Helios 1 und 2 absolvierten in den 1970er Jahren erste Missionen in Sonnennähe.

Ein frühes Konzept sah einen Start zum Jupiter, ein Swing-by-Manöver und eine Annäherung bis auf drei Sonnenradien vor. Drei radioisotopische Thermogeneratoren sollten die Sonde mit Energie versorgen. Zu teuer, zu kurze wissenschaftliche Beobachtungszeiten – das Vorhaben wurde verworfen. Die überarbeitete Lösung setzt auf Venus-Vorbeiflüge zur Bahnänderung und auf Solarzellen statt RTGs.

Sieben Venus-Swing-by-Manöver sind insgesamt vorgesehen. Bei jedem gibt die Sonde Bewegungsenergie an die Venus ab; ihre Umlaufbahn wird zunehmend elliptischer, während das Perihel näher an die Sonne rückt. Der erste Venusvorbeiflug fand am 3. Oktober 2018 statt. Im November 2018 folgte das erste Perihel bei etwa 35 Sonnenradien, am 1. September 2019 das dritte Perihel. Am 28. April 2021 durchflog erstmals ein Raumfahrzeug vollständig die Sonnenkorona.

Am 21. November 2021 erreichte Parker Solar Probe ihr zehntes Perihel in 8,54 Millionen Kilometern Abstand und war dabei etwa 163 km/s schnell. Später kam die Sonde auf ein Perihel von weniger als neun Sonnenradien, ein Aphel von etwa 0,73 AE und eine Umlaufzeit von 88 Tagen.

Ein Hitzeschild, Wasser und vier Messpakete

Strukturell besteht die Sonde aus einem sechsseitigen Prisma. Sie ist etwa drei Meter hoch und rund einen Meter breit. Der eigentliche Star sitzt vorne: Das Thermal Protection System, kurz TPS, misst etwa 2,4 Meter im Durchmesser und ist 115 Millimeter dick. Kohlenstoff-Verbundmaterial mit weißer Keramikbeschichtung muss einen Wärmefluss von nahezu 1 MW/m² und Temperaturen bis etwa 1.650 °C aushalten. Hinter dem Schild sollen trotzdem ungefähr 30 °C herrschen.

Autonome Sonnensensoren korrigieren laufend die Lage, damit der Sondenkörper im Schatten bleibt. Für die Kühlung der Solarzellen führt Parker Solar Probe 3,7 Liter deionisiertes Wasser mit. Das Kühlsystem arbeitet unter hohem Druck, damit das Wasser bei bis zu 125 °C nicht verdampft; Pumpen bringen die Wärme zu Radiatoren, die sie in den Weltraum abstrahlen.

Die beweglichen Solarzellen werden auf dem Weg zur Sonne teilweise nach hinten geschwenkt. Unterhalb von 0,25 AE verschwinden sie vollständig im Schildschatten. Zusätzliche Hochtemperatur-Solarzellen ragen nur minimal hinter dem Hitzeschild hervor und werden flüssigkeitsgekühlt. Zusammen erzeugen beide Arrays etwa 388 Watt.

Für den Kontakt zur Erde gibt es eine ausklappbare Ka-Band-Hochleistungsantenne mit 0,6 Metern Durchmesser und bis zu 555 kbit/s, außerdem zwei Fächerantennen für reguläre Telemetrie und Befehle sowie zwei Rundstrahl-Niedergewinnantennen für Notfälle. Wenn die Sonde der Sonne sehr nahe kommt, speichert sie die wissenschaftlichen Daten zunächst an Bord und überträgt sie später.

Die vier Instrumentenpakete teilen sich die Arbeit: FIELDS misst elektrische und magnetische Felder sowie Plasma- und Elektronendichten und untersucht unter anderem Wellen, Stoßwellen und magnetische Rekonnexion. IS☉IS beobachtet energiereiche Elektronen, Protonen und schwere Ionen samt ihren Ursprüngen, ihrer Beschleunigung und Ausbreitung. WISPR liefert Weitwinkelbilder der Korona und der inneren Heliosphäre, etwa von koronalen Massenauswürfen, Jets und Schockwellen. SWEAP misst Geschwindigkeit, Dichte und Temperatur von Elektronen, Protonen und Heliumkernen.

Die Instrumente wurden 2017 ausgeliefert, die Sonde bis 2018 getestet und am 2. April 2018 nach Florida gebracht. Die Collier Trophy 2024 erhielt die Mission ebenfalls.

Was Parker sonst noch gesehen hat

Am 24. Dezember 2024 erreichte die Sonde erstmals ihr endgültiges Perihel bei etwa 8,5 Sonnenradien. Sie war ungefähr 190 km/s beziehungsweise 690.000 km/h schnell und damit das schnellste menschengemachte Objekt. Am 1. Januar 2025 bestätigten empfangene Daten, dass Parker den Koronadurchflug unbeschädigt überstanden hatte und alle Instrumente funktionierten.

Am 19. Juni 2025 endete das 24. Perihel und damit die Primärmission; anschließend sammelte die Sonde weiter Daten. Vom 18. Oktober bis 5. November beobachtete WISPR den interstellaren K