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Theoretische Weltraum- und Astrophysik
Weltraumphysik
Im Zentrum der Weltraumphysik, die von der Astrophysik hier unterschieden sei,
steht am Lehrstuhl die Physik der Heliosphäre. Die Heliosphäre, ein Begriff
der in der zweiten Hälfte der 60er Jahre geprägt wurde, ist der
zirkumsolare Raum, den das von der Sonne emittierte Plasma, welches im
wesentlichen aus Protonen und Elektronen besteht, einnimmt (Abb. 1).
Abb.1: Eine Skizze der Heliosphäre.
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Infolge des Staudruckes des Sonnenwindes, der den mit lokaler
Überschallgeschwindigkeit expandierenden Teil der äusseren
Sonnenatmosphäre repräsentiert, bildet sich im lokalen interstellaren
Medium (LISM), dessen Druck sich aus dem des thermischen Gases, dem der
Kosmischen Strahlung und dem des lokalen interstellaren Magnetfeldes
zusammensetzt, eine Plasmablase - eben die Heliosphäre - deren Form und
Struktur auch durch die Bewegung der Sonne relativ zum LISM mitbestimmt wird.
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Abb. 2: Spektren der Kosmischen Strahlung, die mit den Pioneer- und
Voyagersonden beobachtet wurden bzw. werden.
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Der Bedeutung der Heliosphärenphysik als wesentliches Bindeglied zur
Astrophysik besteht in der Möglichkeit direkte Beobachtungen, d.h.
Beobachtungen vor Ort durchführen zu können. Als Beispiel sind in Abb. 2
Spektren der Kosmischen Strahlung gezeigt, die mit Instrumenten an Bord der
Raumsonden Pioneer 10 und 11 sowie Voyager 1 und 2 (siehe Abb. 1) gemessen
wurden.
Die Spektren und auch die räumlichen Verteilungen der Kosmischen Strahlung
werden mit Modellrechnungen verglichen. So zeigt z.B. Abb. 3 die Verteilung
des niederenergetischen, sogenannten anomalen Wassestoffs bei einer
kinetischen Energie von 11 MeV bei einer heliographischen Breite von
30 Grad. Diese Abb., die ebenfalls die Projektionen der Trajektorien der 1998
noch aktiven Raumsonden auf die angegebene heliosphärische Breite zeigt,
beinhaltet z.B. die Vorhersage von noch nicht beobachteten longitudinalen
Gradienten in der heliosphärischen Verteilung der Kosmischen Strahlung.
Abb. 3: Die Verteilung von Anomalem Wasserstoff mit einer
kinetischen Energie von 11 MeV.
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Über das Studium solcher spektraler und räumlicher Verteilungen hinaus, aus
denen viele Eigenschaften der Heliosphäre sowie der Kosmischen Strahlung abgeleitet
und mit Hilfe derer wichtige Plasmaprozesse, wie zum Beispiel die sogenannten
Fermi-Beschleunigungen, analysiert werden können, ist auch der Sonnenwind selbst
ein wichtiger Untersuchungsgegenstand. Er stellt als ein nicht im Gleichgewicht
befindliches Plasma ein ausgezeichnetes Laboratorium für die Physik von
Plasmawellen und Transportprozessen dar.
Neben dem Verständnis der heliosphärischen Struktur als solcher, die als
``Vorlage'' für viele Szenarien und Modelle der Astrophysik dient (z.B.
stellare Winde, stellare Magnetfelder, Schocks, Planetensysteme), können also
auch grundlegende Fragestellungen zur Plasmaphysik untersucht werden, da
physikalische Zustände und entsprechende Plasmaeigenschaften direkt
beobachtbar sind, die im Labor nicht oder nur sehr schwer erreicht oder
simuliert und studiert werden können.
Daher kann also die Heliosphärenphysik allgemein als ein
wichtiges Bindeglied zwischen Grundlagenphysik und Astrophysik charakterisiert
werden.
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