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The ASPIICS solar coronagraph aboard the Proba-3 formation flying mission. Scientific objectives and instrument design

Dieses Papier skizziert die wissenschaftlichen Ziele und das Design des ASPIICS-Koronografen, eines neuartigen Instruments an Bord der ESA-Mission Proba-3, das einen 144 Meter großen, durch Formationflug realisierten Abstand zwischen einem externen Okkulter und einem Teleskop nutzt, um die innere Sonnenkorona mit beispielloser Klarheit und geringem Streulicht zu beobachten.

Ursprüngliche Autoren: A. N. Zhukov, C. Thizy, D. Galano, B. Bourgoignie, L. Dolla, C. Jean, B. Nicula, S. Shestov, C. Galy, R. Rougeot, J. Versluys, J. Zender, P. Lamy, S. Fineschi, S. Gunar, B. Inhester, M. Mierla, P. Rud

Veröffentlicht 2026-07-07✓ Author reviewed ⓘ

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CC BY 4.0

Ursprüngliche Autoren: A. N. Zhukov, C. Thizy, D. Galano, B. Bourgoignie, L. Dolla, C. Jean, B. Nicula, S. Shestov, C. Galy, R. Rougeot, J. Versluys, J. Zender, P. Lamy, S. Fineschi, S. Gunar, B. Inhester, M. Mierla, P. Rudawy, K. Tsinganos, S. Koutchmy, R. Howard, H. Peter, S. Vives, L. Abbo, C. Aime, K. Aleksiejuk, J. Baran, U. Bak-Steslicka, A. Bemporad, D. Berghmans, D. Besliu-Ionescu, S. Buckley, O. Buiu, G. Capobianco, I. Cimoch, E. DHuys, C. E. DeForest, M. Dziezyc, K. Fleury-Frenette, S. E. Gibson, S. Giordano, L. Golub, K. Grochowski, P. Heinzel, A. Hermans, J. Jacobs, S. Jejcic, N. Kranitis, F. Landini, D. Loreggia, J. Magdalenic, D. Maia, C. Marque, R. Melich, M. Morawski, M. Mosdorf, V. Noce, P. Orleanski, A. Paschalis, R. Peresty, L. Rodriguez, D. B. Seaton, L. Short, J. -F. Simar, M. Steslicki, R. Sorensen, G. Terrasa, N. Van Vooren, F. Verstringe, L. Zangrilli

Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen

Die große Idee: Eine weltraumgestützte „Finsternis“-Maschine

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, das Bild einer Kerzenflamme zu machen, die direkt neben einem blendend hellen Scheinwerfer steht. Wenn Sie direkt zur Kerze schauen, wird das helle Licht des Scheinwerfers sie komplett überstrahlen. Dies ist das Problem, vor dem Astronomen stehen, wenn sie versuchen, die solare Korona (die äußere Atmosphäre der Sonne) zu unterscharakterisieren. Die Oberfläche der Sonne ist so hell, dass sie die schwache, dunstige Korona verbirgt – außer während einer totalen Sonnenfinsternis auf der Erde, die jedoch nur wenige Minuten dauert und selten vorkommt.

Hier kommt ASPIICS ins Spiel, eine spezielle Kamera für eine Mission namens Proba-3. Anstatt auf eine seltene Finsternis zu warten, erzeugt Proba-3 eine eigene „künstliche Finsternis“ im Weltraum.

Wie es funktioniert: Der Tanz der zwei Satelliten

Die meisten Weltraumteleskope sind einzelne Einheiten. Proba-3 ist anders; es besteht aus zwei separaten Raumfahrzeugen, die in einer präzisen Formation fliegen, wie ein Paar Tanzpartner.

Das Okkultersatellit (Die „Hand“): Ein Satellit trägt eine große, kreisförmige Scheibe (den Okkulter). Stellen Sie sich dies wie eine riesige Hand vor, die man hochhält, um den blendenden Scheinwerfer (die Sonne) abzuschirmen.
Der Koronagraph-Satellit (Das „Auge“): Der zweite Satellit trägt die Kamera (ASPIICS). Er fliegt etwa 144 Meter (472 Fuß) hinter dem ersten.

Da die beiden Satelliten so weit voneinander entfernt sind, kann die „Hand“ die Sonne perfekt verdecken, ohne einen Schatten zu werfen, der zu klein oder verzerrt wäre. Dadurch entsteht ein langer, dunkler Schattenkanal, in dem sich die Kamera befindet. In diesem Tunnel kann die Kamera die schwache Korona klar sehen, frei vom blendenden Glanz der Sonnenoberfläche.

Die Analogie: Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, ein Glühwürmchen neben einem Stadion-Flutlicht zu sehen. Wenn Sie eine Münze nah vor Ihr Auge halten, um das Licht zu blockieren, ist der Schatten der Münze unscharf und klein. Aber wenn ein Freund ein großes Schild 30 Meter weit weg von Ihnen hält, wirft das Schild einen langen, scharfen, dunklen Schatten. Sie können in diesem Schatten stehen und das Glühwürmchen perfekt sehen. Genau das macht Proba-3.

Warum das wichtig ist: Das „fehlende Bindeglied“ schließen

Lange Zeit hatten Astronomen eine „Lücke“ in ihrer Sicht auf die Sonne:

Nahaufnahmen-Kameras (wie die auf dem SDO-Satelliten) können die Sonnenoberfläche und den untersten Teil der Atmosphäre sehen, werden aber geblendet, wenn sie zu weit nach außen blicken.
Fernaufnahmen-Kameras (wie LASCO auf dem SOHO-Satelliten) können die äußere Korona sehen, verpassen aber den entscheidenden inneren Teil, in dem die wesentlichen Prozesse ablaufen.

ASPIICS füllt diese Lücke. Es kann die Korona von knapp über der Sonnenoberfläche (1,099-mal der Sonnenradius) bis zum 3-fachen Sonnenradius beobachten. Es ist wie eine Kamera, die die gesamte „Atmosphäre“ der Sonne in einer einzigen, kontinuierlichen, klaren Ansicht sehen kann – vom Bodenlevel bis zur Stratosphäre.

Was sie lernen wollen

Die Arbeit skizziert drei Rätsel, die ASPIICS hofft zu lösen:

Warum ist die Atmosphäre der Sonne so heiß? Die Oberfläche der Sonne beträgt etwa 5.500 °C, aber die Korona ist Millionen von Grad heiß. Es ist, als würde man von einem Lagerfeuer weggehen und plötzlich von einer Hitzewelle getroffen werden. ASPIICS wird nach winzigen Wellen und magnetischen „Schlagimpulsen“ suchen, die Energie in die Korona pumpen könnten, um sie aufzuheizen.
Woher kommt der Sonnenwind? Die Sonne bläst ständig einen Strom von Teilchen (Sonnenwind) in Richtung Erde. Manchmal ist es eine sanfte Brise, manchmal ein Hurrikan. ASPIICS wird die „Quellregionen“ beobachten, um zu sehen, wie dieser Wind geboren und beschleunigt wird.
Was löst Sonnenstürme aus? Manchmal bricht die Sonne aus und sendet massive Wolken aus magnetisiertem Gas (koronale Massenauswürfe oder CMEs) zur Erde. Diese können Satelliten und Stromnetze ausschalten. ASPIICS wird den genauen Moment beobachten, in dem diese Ausbrüche beginnen, um zu versuchen, die „Zündschnur“ zu sehen, die das Feuer entzündet.

Das Instrument: Ein hochtechnologisches Auge

Das ASPIICS-Instrument ist eine hochentwickelte Kamera, die für extreme Bedingungen konzipiert wurde:

Das Objektiv: Es verwendet eine spezielle Linsengruppe, um das schwache Licht der Korona auf einen digitalen Sensor zu fokussieren.
Die Filter: Es macht nicht nur Schwarz-Weiß-Fotos. Es nutzt spezielle „Sonnenbrillen“ (Filter), um bestimmte Farben des Lichts zu betrachten. Einige Filter zeigen das heiße Gas (2 Millionen Grad), während andere kühlere, dichte Gaswolken (Protuberanzen) zeigen.
Die „intelligente“ Kamera: Die Helligkeit der Sonne variiert extrem. Der Bereich nahe der Sonne ist hell; der Teil weiter entfernt ist schwach. Um beides einzufangen, macht die Kamera eine Serie von Fotos mit unterschiedlichen Belichtungszeiten (ähnlich wie man ein Foto von einem dunklen Raum und einem hellen Fenster separat macht) und setzt sie zu einem perfekten Bild zusammen.

Das Missionsprofil

Umlaufbahn: Die beiden Satelliten fliegen in einer sehr gestreckten, ovalen Umlaufbahn um die Erde. Sie verbringen etwa 6 Stunden am höchsten Punkt dieser Umlaufbahn (dem Apogäum), wo sie ihren Formationflug-Tanz aufführen können.

Präzision: Zwei Satelliten über eine Distanz von 144 Metern auf wenige Millimeter genau auszurichten, ist unglaublich schwierig. Sie nutzen Laser, Kameras und GPS, um perfekt in einer Linie zu bleiben und sicherzustellen, dass der Schatten auf der Kamera bleibt.

Dauer: Die Mission ist auf zwei Jahre angelegt, was Wissenschaftlern hunderte Stunden an hochwertigen Daten liefert – weit mehr als eine einzelne totale Sonnenfinsternis auf der Erde jemals bieten könnte.

Zusammenfassung

Kurz gesagt: Das ASPIICS-Instrument auf der Proba-3-Mission ist ein revolutionäres Werkzeug, das zwei Satelliten nutzt, die in einer präzisen Formation fliegen, um eine permanente, künstliche Sonnenfinsternis zu erzeugen. Dies ermöglicht es Wissenschaftlern, die innere Atmosphäre der Sonne mit beispielloser Klarheit zu sehen und so langjährige Rätsel darüber zu lösen, warum ihre äußere Schicht so heiß ist, wie der Sonnenwind entsteht und was gefährliche Weltraumwetterstürme verursacht.

Technische Zusammenfassung: Der ASPIICS-Solarkoronagraph der Proba-3-Formation-Flying-Mission

Problemstellung
Die Sonnenkorona, die Quelle des Sonnenwinds und der koronalen Massenauswürfe (CMEs), bleibt in der Region der „mittleren Korona“ (etwa 1,1 bis 3 Sonnenradien, $R_\odot$ ) unzureichend verstanden. Diese Region stellt eine kritische Beobachtungslücke dar: Extrem-UV-Imager (z. B. SDO/AIA) beobachten typischerweise die untere Korona bis zu $\sim1,27 R_\odot$ , während klassische extern okkultierte Koronagraphen (z. B. SOHO/LASCO C2, STEREO/COR2) im Allgemeinen Beobachtungen ab $\sim2,2\text{--}2,5 R_\odot$ beginnen. Bodenbasierte Beobachtungen sind durch atmosphärische Streuung und kurze Finsternisdauern begrenzt. Zudem haben bestehende weltraumgestützte Koronagraphen Schwierigkeiten mit hohem Streulichtanteil bei der Beobachtung nahe am Sonnenrand, was schwache koronale Strukturen verdeckt und das Signal-Rausch-Verhältnis reduziert, das für die Untersuchung dynamischer Phänomene wie Wellenausbreitung und CME-Beschleunigung erforderlich ist.

Methodik und Instrumentendesign
Das Paper beschreibt das ASPIICS-Instrument (Association of Spacecraft for Polarimetric and Imaging Investigation of the Corona of the Sun), das am 5. Dezember 2024 an Bord der ESA-Mission Proba-3 gestartet wurde. Die Kerninnovation der Mission ist eine Formation-Flying-Architektur, die aus zwei Raumfahrzeugen besteht:

Occulter-Raumfahrzeug (OSC): Trägt eine kreisförmige externe Okkultatorscheibe (Radius $R_{EO} = 0,71088$ m) mit einem toroidalen Rand.
Koronagraph-Raumfahrzeug (CSC): Trägt das ASPIICS-Teleskop.

Die beiden Raumfahrzeuge halten eine präzise Formation mit einem Inter-Satelliten-Abstand (ISD) von etwa 144 Metern während eines 6-stündigen Fensters um den Apogäumspunkt ihres hochelliptischen Orbits (19,63-Stunden-Periode) aufrecht. Dieser Abstand stellt eine Steigerung um zwei Größenordnungen im Vergleich zu klassischen extern okkultierten Koronagraphen (bei denen $D \sim 1$ m ist) dar.

Technische Hauptmerkmale:

Streulichtunterdrückung: Der große Abstand ( $D \approx 144$ m) reduziert die Intensität des Beugungslichts vom externen Okkultator signifikant, was Beobachtungen bis zu $1,099 R_\odot$ mit geringem Streulicht ermöglicht.
Optisches System: ASPIICS ist ein Lyot-Koronagraph mit einer Eintrittspupille von 50 mm und einer Brennweite von 734,6 mm. Er nutzt einen internen Okkultator und einen Lyot-Stop, um gebeugtes Licht zu blockieren.
Detektoren und Filter: Das Instrument verwendet einen $2048 \times 2048$ $2048 \times 2048$ Pixel großen CMOS Active Pixel Sensor (APS) mit einer Pixelgröße von $2,817''$ $2, 81 7^{''}$ . Es nutzt ein Filterrad mit sechs Slots:
- Breitband (WBF): 5363–5658 Å (zentriert bei 5510 Å) für die Gesamthelligkeit und polarisierte Helligkeit (mit 0°, 60°, 120° Polarisatoren).
- Schmalband Fe XIV: Zentriert bei 5304 Å (grüne Linie) für $\sim2$ MK Plasma.
- Schmalband He I D3: Zentriert bei 5877 Å für Prominenzplasma ( $\sim0,01$ MK).
Metrologie: Die Formation-Flying-Konfiguration wird mittels GNSS, einem Visual-Based System (VBS) und einem Fine Lateral and Longitudinal Sensor (FLLS) unter Verwendung von Laser-Retroreflektoren aufrechterhalten. ASPIICS verwendet zudem einen Shadow Position Sensor (SPS) und einen Occulter Position Sensor Emitter (OPSE), um die Ausrichtung des externen Okkultators relativ zur Teleskopöffnung zu überwachen.
Datenverarbeitung: Um den hohen Dynamikbereich der Korona zu bewältigen, nutzt das Instrument einen „Tile-Map“-Ansatz, bei dem der Detektor in $64 \times 64$ Pixel große Kacheln (Tiles) unterteilt wird. Unterschiedliche Belichtungszeiten werden auf verschiedene Kacheln angewendet, und Qualitätsflags bestimmen, welche Kacheln für den Downlink beibehalten werden.

Ergebnisse und Leistung
Bodenbasierte Kalibrierungskampagnen (Belgien und Italien, gesichert 2020–2021) bestätigten die Leistung des Instruments:

Auflösung: Das System erreicht eine räumliche Auflösung von $2,817''$ pro Pixel (lineare Auflösung $\sim4085$ km bei $1 R_\odot$ ), begrenzt durch die Pixelgröße im unvignettierten Sichtfeld ( $>1,174 R_\odot$ ).
Streulicht: Theoretische Modelle und Kommissionsdaten bestätigen, dass das gebeugte Licht zwei Größenordnungen schwächer als das Koronasignal ist, was das Design zur Beobachtung der inneren Korona validiert.
Radiometrie: Die radiometrische Empfindlichkeit wurde über alle Kanäle gemessen, wobei Bias und Dunkelstrom charakterisiert wurden (Bias $\sim2050$ DN, Dunkelstrom $\sim3,3$ DN/s).
Operative Kadenz: Die nominale synoptische Kadenz beträgt 1 Minute, mit der Möglichkeit für höhere Kadenzen (bis zu 2 Sekunden) durch reduziertes Sichtfeld.

Wesentliche Beiträge und wissenschaftliche Ziele
ASPIICS ist darauf ausgelegt, die Beobachtungslücke zwischen EUV-Imagern und klassischen Koronagraphen zu schließen und eine nahtlose Abdeckung von $1,099 R_\odot$ bis $3 R_\odot$ zu ermöglichen. Das Paper skizziert vier primäre wissenschaftliche Ziele:

Ruhende Koronastruktur: Untersuchung der Natur der Korona auf verschiedenen Skalen, einschließlich des Übergangs von geschlossenen zu offenen Magnetfeldlinien sowie der Bestimmung der magnetischen Konfiguration von Streamern und Koronal Löchern.
Koronale Erwärmung: Messung von Welleneigenschaften (Alfvén-Wellen, Dichtefluktuationen) mit hoher Kadenz, um deren Beitrag zur koronalen Erwärmung zu bestimmen, insbesondere in der magnetisch geschlossenen Korona.
Sonnenwindbeschleunigung: Untersuchung des Ursprungs des langsamen Sonnenwinds, einschließlich Interchange Reconnection, Jets und Turbulenzen, durch Beobachtung kleinskaliger Dynamiken in den Quellenregionen des Windes.
CME-Initiierung und -Evolution: Bereitstellung hochauflösender, hochfrequenter Beobachtungen des CME-Beginns, der Beschleunigung und der Umstrukturierung im unteren Koronabereich ( $<3 R_\odot$ ). Dies umfasst die Analyse der dreiteiligen CME-Struktur, Stromschichten und der Verbindung zwischen Flares und CMEs.

Bedeutung
Das Paper behauptet, dass ASPIICS einen bedeutenden Fortschritt in der solaren Weltraum-Koronagraphen-Technologie darstellt. Durch die Nutzung des einzigartigen 144-Meter-Abstands im Formation Flying erreicht es eine Ebene der Streulichtunterdrückung und den Zugang zur inneren Korona ( $1,099 R_\odot$ ), die zuvor im Weltraum unerreichbar war. Diese Fähigkeit ermöglicht erstmals die nahtlose Beobachtung der CME-Dynamik von ihrer Initiierung nahe der Sonnenoberfläche bis hin zur Beschleunigungsphase und schließt damit die Lücke zwischen EUV- und Weißlichtbeobachtungen. Das Instrument soll entscheidende Daten liefern, um offene Fragen bezüglich des Ursprungs des langsamen Sonnenwinds, der physikalischen Mechanismen der koronalen Erwärmung und der Initiierung von CMEs und assoziierten Schocks zu klären. Die Mission dient sowohl als wissenschaftliches Werkzeug für die Sonnenphysik als auch als Technologiedemonstrator für präzises Formation Flying.