Voyager 1 und 2: Grenzgänger des Sonnensystems

„Ehrlich gesagt waren einige der Werte nur Vermutungen“, sagt Gurnett. Frühe Anzeichen haben die Heliopause in der Nähe von Jupiter gesehen. Garnett berechnete 1993 eine etwa 25-mal größere Entfernung von 116 bis 177 AE. Diese Zahlen, erinnert er sich, seien bei den Lehrkräften nicht sehr gut angekommen. 1993 beförderte Voyager 1 bereits 50 astronomische Einheiten. „Wenn die Heliopause 120 AE betragen sollte, bedeutete das, dass wir weitere 70 AU vor uns hatten.“ Bei einer Geschwindigkeit von etwa 3,5 AE pro Jahr werden die Sonden daher zwei Jahrzehnte brauchen, bis sie die Heliosphäre verlassen.

Dies warf einige beunruhigende Fragen auf: Werden die Voyager so lange durchhalten? Wie wird die Mission finanziert? Dies wurde auch in Erwartung verlängert, eine Heliopause von etwa 50 AE zu finden. Aber hier war es nicht möglich, die erwarteten Anzeichen eines interstellaren Transits zu entdecken. So dürfte die entsprechende Voyager-Sonde einen starken Anstieg der galaktischen kosmischen Strahlung registriert haben, die von Supernovae und anderen hochenergetischen Prozessen im umgebenden Weltraum stammt. Das Magnetfeld der Heliosphäre lenkt die meisten niederenergetischen kosmischen Strahlen ab, bevor sie das innere Sonnensystem erreichen. „Es schützt uns vor mindestens 75 Prozent dessen, was da draußen vor sich geht“, sagt Stone. Das Voyager-Team erwartete auch, dass das vorherrschende Magnetfeld die Richtung ändern würde. Es wird angenommen, dass interstellare Felder von nahen Sternen und riesigen Wolken aus ionisiertem Gas stammen und wahrscheinlich eine andere Ausrichtung haben als das Magnetfeld der Heliosphäre. Auch bei der Reichweite von 50 Astrons ändert sich nichts.

“Bei einer so langen Mission werden die Beteiligten allmählich zu einer Familie”Linda Spilker, Planetenforscherin

Gurnetts Schätzungen erwiesen sich als prophetisch – tatsächlich erreichte eine der Sonden erst zwei Jahrzehnte später endlich die Heliopause. Bis dahin war es ihnen nur gelungen, weitere Mittel zu sichern, und das Team war von Hunderten auf einige Dutzend geschrumpft. Die meisten sind immer noch im Einsatz und fühlen sich umso verbundener. „Bei einer so langen Mission werden alle Beteiligten nach und nach wie eine Familie“, sagt Spilker. „Wir sind ungefähr zur gleichen Zeit Eltern geworden. Sie sind zusammen in den Urlaub gefahren. Jetzt arbeiten wir generationenübergreifend, und einige der jüngeren Teammitglieder waren noch nicht einmal geboren, als die Mission begann.”

Als Voyager 1 im August 2012 schließlich die Heliopause überquerte, waren einige der Daten erschreckend. „Wir haben die Ankündigung verschoben, weil wir uns nicht einigen konnten, ob der interstellare Raum wirklich erreicht wurde“, erinnert sich Cummings. “Die Diskussionen dauerten etwa ein Jahr.” Voyager 1 hat den erwarteten Anstieg der Plasmadichte festgestellt. Laut dem von Gernet entwickelten Plasmawellendetektor hat sie sich um das 80-fache erhöht. Es gab jedoch keine Hinweise auf eine Änderung der Ausrichtung des umgebenden Magnetfelds. “Es war ein Schock”, sagt Cummings. “Und es stört mich immer noch.”

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Der zweite Grenzübergang mit neuen Rätseln

Auch Voyager 2 kam irgendwann ans Limit. Als es dann im November 2018 soweit war, stellten ihre Instrumente auch keine Abweichungen im Magnetfeld fest. Um ein weiteres Rätsel hinzuzufügen, traf die Sonde auf die Heliopause in einer Entfernung von 120 AE – die gleiche Entfernung wie ihr Zwilling sechs Jahre zuvor. Die gute Übereinstimmung widersprach theoretischen Modellen, wonach sich die Heliosphäre gemäß dem 11-jährigen Aktivitätszyklus der Sonne ausdehnen und zusammenziehen sollte. Während dieser Zeit lässt der Sonnenwind nach und verstärkt sich. Voyager 2 kam in der Heliopause an, als der Aufprall ziemlich stark und die Grenzregionen entsprechend weiter entfernt sein sollten. „Niemand hat damit gerechnet“, heißt es in dem Krimi. “Die Theorie erwies sich angesichts der Messungen als unzureichend.”

Jetzt, da reale Daten verfügbar sind, werden Modelle der Wechselwirkung zwischen der Heliosphäre und dem interstellaren Medium immer komplexer. Gary Zanck, Astrophysiker an der University of Alabama in Huntsville, erklärt das vorherrschende Bild: Unsere Sonne verließ zunächst die heiße, ionisierte Region der Milchstraße und trat dann in eine nur teilweise ionisierte Region ein. Die heiße Region wurde wahrscheinlich durch Supernovae gebildet. Ein oder mehrere alte Sterne in der Nähe explodierten am Ende ihres Lebens und entzogen den umgebenden Atomen Elektronen mit abgestrahlter Energie. Die Umgebung kann man sich laut Zank als „eine Art Meeresbrandung mit aufgewühltem Wasser und tosenden Wellen“ vorstellen. Wir befinden uns in einer so turbulenten Region, erklärt er. “Magnetfelder sind verdreht und nicht so glatt, wie Theoretiker es gerne hätten.” Der Grad der Turbulenz kann jedoch je nach Art der Beobachtung variieren. Die Voyager-Daten zeigen auf großen Skalen nur kleine Schwankungen im Feld, aber viele kleine Schwankungen um die Heliopause herum. Sie werden durch den Einfluss der Heliosphäre auf das interstellare Medium verursacht. Irgendwann muss das Raumschiff diese Störzonen verlassen und schließlich auf das ungestörte interstellare Magnetfeld treffen.

Oder vielleicht ist das Bild völlig falsch. Einige Forscher, wie Leonard Fisk von der University of Michigan, glauben, dass die Voyager-Sonden die Heliosphäre noch nicht passiert haben. „Es gibt keinen Grund dafür, dass die Magnetfelder in der Heliosphäre und im interstellaren Medium die gleiche Ausrichtung haben“, sagt Fisk. Er arbeitete mit seinem Kollegen George Gloeckler, einem langjährigen Mitglied des Voyager-Missionsteams, an einem neuen Modell der Heliosphäre. Er verschiebt den Rand der Heliosphäre um weitere 40 astronomische Einheiten nach außen.

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Die meisten Experten halten jedoch den gemessenen starken Anstieg der galaktischen kosmischen Strahlung und der Plasmadichte für ausreichend überzeugend. „In Anbetracht dessen ist es sehr schwer zu argumentieren, dass sich die Sonden nicht wirklich im interstellaren Raum befinden“, sagt Cummings. „Auf der anderen Seite passen die Dinge nicht perfekt zusammen. Deshalb brauchen wir eine interstellare Sonde.’

McNutt setzt sich seit Jahrzehnten für die neue Mission ein. Sein Team an der Johns Hopkins University skizzierte die Pläne für die interstellare Sonde in einem ausführlichen Bericht. Es könnte in den 2030er Jahren gestartet werden und die Heliosphäre innerhalb von 15 Jahren erreichen, 20 Jahre schneller als Voyager 1. Anders als die Voyager-Mission wird die interstellare Sonde speziell für die Untersuchung der äußeren Regionen der Heliosphäre entwickelt. Der Dachverband der US-amerikanischen Akademien der Wissenschaften hat noch nicht entschieden, ob diese Mission eine der Prioritäten der NASA für das nächste Jahrzehnt werden soll.

“Es ist, als würde man versuchen, eine Schale mit Goldfischen aus der Perspektive eines Fisches zu beschreiben.”Ralph McNutt, Labor für Angewandte Physik der Johns Hopkins University

Eine interstellare Sonde könnte eine grundlegende Frage zur Heliosphäre beantworten: Wie sieht die Struktur von außen aus? „Wir wissen es einfach nicht“, gibt McNutt zu. „Es ist, als würde man versuchen, eine Schale mit Goldfischen aus der Sicht des Fisches zu beschreiben. Wir müssen irgendwie alles von außen sehen.“ Einigen Modellen zufolge fließt interstellare Materie mit einer Geschwindigkeit von etwa 200 Kilometern pro Sekunde sanft an der Heliosphäre vorbei, wie Wasser am Bug eines Schiffes. Das Ergebnis sollte eine kometenähnliche Form mit einem langen Schweif sein. Ein Computermodell, das von einem Team unter der Leitung des Astronomen Merav Ofer von der Boston University entwickelt wurde, sagt jedoch eine turbulentere Dynamik voraus, die der Heliosphäre eine eher hörnchenartige Form verleiht. “Man kann sich auf wissenschaftlichen Konferenzen darüber streiten”, kommentiert McNutt die Situation, “aber man muss messen, um zu sehen, was wirklich passiert.”

Ausdauernde Technik mit unaufhaltsam schwindender Energiezufuhr

Die Voyager-Sonde läuft auf 50 Jahre alter Ausrüstung. „Software existiert praktisch nicht“, sagt Krimigis. „Es gibt keine Mikroprozessoren an Bord – die gab es damals noch nicht!“ Designer konnten sich nicht auf Tausende von Codezeilen verlassen, damit es funktioniert. Krimigis glaubt, dass die Technologie so lange überdauert hat, weil fast alles miteinander verbunden wurde. „Moderne Ingenieure haben keine Ahnung, wie man das macht. Ich weiß nicht, ob es möglich wäre, ein so einfaches Raumschiff noch einmal zu bauen. Die Voyager-Mission ist die letzte ihrer Art.”

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Auf Voyager 2 sind noch fünf Instrumente in Betrieb, auf Voyager 1 vier. Sie alle laufen auf einem Bauteil, das die Wärme aus dem radioaktiven Zerfall von Plutonium in Strom umwandelt. Die Leistung sinkt um etwa vier Watt pro Jahr. Im Jahr 2019 war die NASA gezwungen, die Heizung des Detektors für kosmische Strahlung abzuschalten, was für die Bestimmung des Zeitpunkts des Überquerens der Heliopause entscheidend war. Alle erwarteten, dass das Gerät ausfallen würde. „Die Temperatur fiel auf 60 oder 70 Grad Celsius, weit außerhalb der getesteten Betriebsgrenzen“, sagt Spilker, „und das Instrument funktionierte weiter.“ Es war wundervoll.”

Die letzten Überlebenden werden wahrscheinlich das Magnetometer und der Plasmadetektor sein. Sie befinden sich im Rumpf des Raumfahrzeugs und halten dort durch die dort freigesetzte Wärme die Betriebstemperatur. Die restlichen Geräte sind am Ausleger montiert. “Wenn Sie die Heizung ausschalten”, sagt Dodd, “werden sie sehr, sehr kalt.” Wie lange halten die Voyager? Spilker hofft: „Wenn alles gut geht, können wir die Missionen bis in die 2030er Jahre verlängern. Es kommt nur auf die Stromquelle an. Das ist ein limitierender Faktor.”

Auch nach Ende der Mission werden die Fahrten der Voyager-Sonden fortgesetzt. Sie werden mehr oder weniger intakt durch die Milchstraße treiben, selbst lange nachdem unsere Sonne verschwunden ist. Sollten sie jemals von einer außerirdischen Zivilisation entdeckt werden, wird jeder eine letzte Botschaft auf einer Metallscheibe überbringen. In ihren Rillen sind Bilder und Töne kodiert, die den Eindruck der Welt vermitteln sollen, aus der sie stammen. Neben dem Zirpen der Grillen und dem Rauschen des Regens ist eine Aufnahme von Bachs Zweitem Brandenburgischen Konzert zu hören. Ebenfalls enthalten ist eine Erklärung von Jimmy Carter, der zum Zeitpunkt des Raketenstarts Präsident der Vereinigten Staaten war. „Wir senden diese Nachricht in den Weltraum“, heißt es. „Wir wollen eines Tages, nachdem wir unsere Probleme gelöst haben, der Gemeinschaft der galaktischen Zivilisationen beitreten. Diese Platte verkörpert unsere Hoffnung, Entschlossenheit und unseren guten Willen inmitten eines riesigen, aufregenden Universums.“

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