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M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen1

2. Lehrerfortbildung am Schauinsland Observatorium, 2. Oktober 2004

Vom (Spektro-)Stratoskop zu Sunrise

Sonnenforschung mit Ballonteleskopen

Dr. Michael Sigwarth

Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik


Übersicht:

• Wer spricht zu Ihnen?• Warum Sonnenforscher in bzw. über die Luft

gehen• Historischer Überblick: Instrumente und

Wissenschaft • Das Sunrise Projekt


Warum in die Luft gehen zur Sonnenbeobachtung?

• Räumlich und zeitlich hochaufgelöste Sonnenbeobachtungen

• Beobachtungen im UV

• Langzeitbeobachtungen


Der Einfluss der Erdatmosphäre: „Seeing“& Filter

Beispiel: Beobachtung des Merkurtransits vom 07. Mai 2003 am VTT.

(D. Soltau und „KAOS“-Team)


Etwas „Atmosphären-Optik“:

• Luft ist optisch wirksames Medium. • Brechungsindex n ist abhängig

von Druck und Temperatur• Atmosphäre ist turbulent. Änderungen

geschehen schnell (100-1000Hz) und über kleine Skalen (cm - einige Meter)

• Die räumliche und zeitliche Variation des Brechungsindex begrenzt das optische Auflösungsvermögen

• Turbulenz ist höhenabhängig

T

Pn 2109.71


„Optisches Fenster“ wird durch Atmosphäre begrenzt


Drei Möglichkeiten der Atmosphäre zu entkommen:

• Ballistische Rakete

• Ballonflug

• Weltall


Vergleich von Ballon und Satelliten basierten Missionen:

Ballon Satellit

Nutzlast Ca. 2 Tonnen

(einschl. Gondel)

Einige 100 kg

Vorlaufzeit 5 – 10 Jahre 10 – 15 Jahre

Kosten 23 Mio € (Sunrise) 250 – 1000 Mio. €

Datenraten On board Telemetrie

Missionsdauer 10 – 20 Tage Jahre

λ - Bereich > 250nm unbeschränkt

Missionstyp „Experiment“ „Observatorium“


Geschichte der Ballon gestützten Sonnenbeobachtung:

• 1949 erster Nachweis von solarer UV- und Röntgenstrahlung mit Hilfe einer V2 Rakete (US, NRL)

• 1956/57 US Ballonflüge unterhalb der Tropopause (6 – 8 km Höhe)

• 1957-59 Stratoscope (US, mehrere Flüge)• 1969 Inbetriebnahme des ersten Vakuum Turm Teleskops

(US)• 1966-73 SSO (Soviet Stratospheric Observatory)• 1975 Spektrostratoskop (KIS, 2 Flüge)• 1999 Adaptive Optik für Sonnenbeobachtung verfügbar• 2000 Flare Genesis (US, 2 Flüge)• 2008 Sunrise (Intern.)• Ca. 2012 ATST geht in Betrieb (US mit intern. Beteil.)


Schwierigkeiten bei Ballonflügen:

• Instrumente müssen „nahezu“ automatisch funktionieren

• Aufwendige Bildstabilisierung notwendig

• Während des Aufstiegs sind die Instrumente hohen Temperaturschwankungen ausgesetzt

• Im Flug wirken starke Temperaturgradienten auf die Instrumente

• Datenspeicher müssen „geborgen“ werden


Stratoscope 1957/59

Instrument: 30cm Newton Reflektor mit 35mm Filmkamera

Bildstabilisierung: Photoelektrischer Servo

Fokus: Beobachtung bei verschiedenen Fokuseinstellungen

Ziel: hochaufgelöste Aufnahmen der Photosphäre.


Spektrostratoskop (1975)

• Planungen beginnen 1962. Unter Leitung des damaligen Fraunhofer-Instituts wird von Zeiss ein 32cm Newton Reflektor mit hochauflösendem Littrow Spektrographen gebaut.

• Bildstabilisierung: Mehrstufiger, Photoelektr. Servo; Fokusbestimung durch Kontrastmessung

Ziel: hochaufgelöste Zeitserien von Integralaufnahmen und Spektren.

• Erster Flug 1968: keine Daten wegen technischer Probleme

• Zweiter Flug im Mai 1975 von Palestine/Texas. Flugdauer12h, davon 6h Beobachtung, in 28 km Höhe.


Der Flug von Spektrostratoskop:


Wissenschaftliche Resultate:

• Keine Fleckenbeobachtung möglich• Erstmals gelangen Zeitreihen

hochaufgelöster Granulationsbilder. Zahlreiche Publikationen zur Morphologie und Intensitätsverteilung der Granulation. Direkter Nachweis von kleinen Granulen (200km)

• Räumliche Auflösung der Spektren war nicht befriedigend.


Flare Genesis (2000)

• Langzeitflug in der Antarktis• Zum Zeitpunkt des Fluges größtes

Sonnenteleskop für Hochauflösung: 80cm Ritchy-Chretien mit Leichtgewichtsspiegel.

• Open-Loop Bildstabilisierung• Filter Vektor Magnetograph (Fabry Perot

basiert) mit CCD Kamera• Ziel: Entwicklung von Sonnenflecken & die

Entstehung von Flares beobachten


Flare Genesis


Flare Genesis: Wissenschaftliche Resultate

• „nur“ 40 GB (komprimierter) Daten

• Probleme durch Vibrationen und Dejustierung

• Beste räumliche Auflösung nur 0,5“ (theo. 0,17“)

• Vektormagnetogramme von „Emerging Flux“ (ca. 4h)


Flare Genesis: Wissenschaftliche Resultate


Sunrise (2008)

• Langzeitflug in der Antarktis

• 1 m Gregory Teleskop mit neuartigem Siliziumcarbid Leichtgewichtsspiegel

• Spalt- und Filter Spektropolarimetrie, Imaging, UV Beobachtungen

• 2-stufiges System zur Bildberuhigung und innovatives „Autofokus System“ (KIS)


SunriseWissenschaftliche Ziele:

• Räumlich höchstaufgelöste Aufnahmen der Photoshäre im UV

• Post-Fakto Bildrekonstruktion

• Spektropolarimetrie bei hoher Auflösung: Natur der kleinskaligen Magnetfelder; solare Variabilität; Heizung der Korona.

• Langzeitbeobachtungen

α=λ/D


Sunrise

• Internationales Projekt unter Leitung des MPS in Katlenburg-Lindau

• Weitere Partner: KIS, HAO (USA), IAC und Partner (Spanien)

• Gefördert durch DLR, NASA und PNE


Sunrise Zeitplan:

2004 – 2005: Bau Teleskop und Instrumente

2006: Integration und Tests

2007/2008: 1. Flug in der Antarktis

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