Lüften Sie eines der hartnäckigsten Geheimnisse der Sonne

Einer Gruppe von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Deutschland ist es gelungen, einen bedeutenden Fortschritt beim Verständnis eines der rätselhaftesten Geheimnisse der Sonne zu erzielen: Wie treibt unser Stern die Teilchen an, aus denen sie besteht? Sonnenwind in den Weltraum?

Die Informationen bieten eine eindeutige Perspektive auf eine entscheidende Region der Sonnenkorona, die bisher für Forscher schwer zu erreichen war. Dort hat das Team erstmals ein dynamisches Netzwerk aus Plasmastrukturen aufgezeichnet, die einem langen, ineinander verschlungenen Netz ähneln. Kombiniert man Daten verschiedener Raumsonden und umfassende Computersimulationen, ergibt sich ein eindeutiges Bild: Magnetische Energie wird entladen, und Teilchen entweichen in den Weltraum, wo die länglichen koronalen Netzstrukturen interagieren.

Die Geostationary Operational Environmental Satellites (GOES) der US-amerikanischen National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) beschäftigen sich traditionell mit anderen Dingen als dem Sun.

Im August und September 2018 fand eine explorative Beobachtungskampagne zur Abbildung der ausgedehnten Sonnenkorona statt. Mehr als einen Monat lang blickte der Solar Ultraviolet Imager (SUVI) von GOES wie üblich direkt auf die Sonne und nahm Bilder auf beiden Seiten davon auf.

Dr. Dan Seaton vom SwRI, der während der Beobachtungskampagne als Chefwissenschaftler für SUVI fungierte, sagte: „Wir hatten die seltene Gelegenheit, ein Instrument auf ungewöhnliche Weise zu nutzen, um eine Region zu beobachten, die noch nicht erforscht ist. Wir wussten nicht einmal, ob es funktionieren würde, aber wenn es funktionieren würde, würden wir wichtige Entdeckungen machen.“

Die Zwischenkorona, eine Schicht der Sonnenatmosphäre 350 Kilometer über dem Sichtbaren Oberfläche der Sonnekonnte erstmals im ultravioletten Licht fotografiert werden, indem die Fotos aus den verschiedenen Blickwinkeln integriert wurden, was das Sichtfeld des Instruments erheblich vergrößerte.

Dr. Pradeep Chitta vom MPS, Hauptautor der neuen Studie, sagte: „Mitten in der Korona hatte die Solarforschung so etwas wie einen blinden Fleck. Die GOES-Daten liefern nun eine deutliche Verbesserung. In der mittleren Korona vermuten Forscher Prozesse, die den Sonnenwind antreiben und modulieren.“

Einer der umfangreichsten Aspekte unseres Sterns ist der Sonnenwind. Die Heliosphäre, eine Blase aus verdünntem Plasma, die den Einflussbereich der Sonne kennzeichnet, entsteht durch den Strom geladener Teilchen, den die Sonne in den Weltraum schleudert und bis an die Grenzen unseres Sonnensystems gelangt. Der Sonnenwind wird entsprechend seiner Geschwindigkeit in schnelle und langsame Komponenten aufgeteilt. Im Inneren von koronalen Löchern, also Bereichen, die in der koronalen ultravioletten Strahlung dunkel erscheinen, entsteht der sogenannte schnelle Sonnenwind, der sich mit mehr als 500 Kilometern pro Sekunde ausbreiten kann. Über den Ursprung des trägen Sonnenwinds ist jedoch weniger bekannt. Doch selbst die Teilchen des langsamen Sonnenwinds bewegen sich mit Überschallgeschwindigkeiten von 300 bis 500 km/s durch den Weltraum.

Heißes koronales Plasma mit über einer Million Grad muss der Sonne entkommen, um den langsamen Sonnenwind zu bilden. Welcher Mechanismus ist hier am Werk? Darüber hinaus ist der langsame Sonnenwind nicht homogen, sondern weist zumindest teilweise eine strahlenartige Struktur aus deutlich unterscheidbaren Luftschlangen auf. Wo und wie entstehen sie? Diesen Fragen geht die neue Studie nach.

In den GOES-Daten ist eine Region in der Nähe des Äquators zu sehen, die die Aufmerksamkeit der Forscher auf sich gezogen hat: zwei koronale Löcher, in denen der Sonnenwind ungehindert von der Sonne wegfließt, in der Nähe eines Gebiets mit einem starkes Magnetfeld. Diese Systemwechselwirkungen gelten als mögliche Ursachen für den trägen Sonnenwind.

Die mittlere Korona über dieser Region wird in den GOES-Daten durch längliche Plasmastrukturen dargestellt, die radial nach außen zeigen. Dieses erstmals direkt beobachtete Phänomen wird vom Autorenteam als koronales Netz bezeichnet. Die Strukturen des Webs interagieren und reorganisieren sich häufig.

Forscher wissen seit langem, dass das Sonnenplasma der äußeren Korona eine ähnliche Architektur aufweist. Seit Jahrzehnten liefert der Koronograph LASCO (Large Angle and Spectrometric Coronagraph) an Bord der Raumsonde SOHO, die letztes Jahr ihr 25-jähriges Jubiläum feierte, Bilder aus dieser Region im sichtbaren Licht.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass der langsame Sonnenwind, der dort seine Reise ins All beginnt, eine Struktur hat, die der eines Jetstreams ähnelt. Wie die aktuelle Studie eindrucksvoll gezeigt hat, überwiegt diese Struktur bereits in der Mitte Krone.

Die Forscher untersuchten auch Informationen von anderen Raumsonden, um ein tieferes Verständnis des Phänomens zu erlangen: Ein zeitgleiches Bild der Sonnenoberfläche lieferte das Solar Dynamics Observatory (SDO) der NASA, während eine Seitenansicht von der Raumsonde STEREO-A geliefert wurde kreist seit 2006 vor der Erde um die Sonne.

Dr. Cooper Downs von Predictive Science Inc., der die Computersimulationen durchführte, sagte: „Mit modernen Rechentechniken, die Fernerkundungsbeobachtungen der Sonne einbeziehen, können Forscher Supercomputer nutzen, um realistische 3D-Modelle des schwer fassbaren Magnetfelds in der Sonnenkorona zu erstellen. In dieser Studie verwendete das Team ein fortschrittliches magnetohydrodynamisches (MHD) Modell, um das Magnetfeld und den Plasmazustand der Korona für diesen Zeitraum zu simulieren.“

Dr. Cooper Downs von Predictive Science Inc., der die Computersimulationen durchführte, sagte: „Dies hat uns geholfen, die faszinierende Dynamik, die wir in der mittleren Korona beobachteten, mit den vorherrschenden Theorien zur Entstehung von Sonnenwinden in Verbindung zu bringen.“

Chitta sagte, „Wie die Berechnungen zeigen, folgen die Strukturen des koronalen Netzes den magnetischen Feldlinien. Unsere Analyse legt nahe, dass die Architektur des Magnetfelds in der mittleren Korona dem langsamen Sonnenwind eingeprägt ist und eine wichtige Rolle bei der Beschleunigung der Teilchen in den Weltraum spielt. Den neuen Ergebnissen des Teams zufolge fließt das heiße Sonnenplasma in der mittleren Korona entlang der offenen Magnetfeldlinien des koronalen Netzes. Wo sich die Feldlinien kreuzen und interagieren, wird Energie freigesetzt.“

„Vieles spricht dafür, dass die Forscher einem grundlegenden Phänomen auf der Spur sind. In Zeiten hoher Sonnenaktivität treten koronale Löcher häufig in der Nähe des Äquators in unmittelbarer Nähe von Gebieten mit hoher Magnetfeldstärke auf. Das von uns beobachtete koronale Netzwerk dürfte daher kein Einzelfall sein.“

Das Team hofft, von zukünftigen Solarmissionen weitere und detailliertere Erkenntnisse zu gewinnen. Einige von ihnen, wie etwa die für 3 geplante Proba-2024-Mission der ESA, sind mit Instrumenten ausgestattet, die auf die mittlere Korona abzielen. Das MPS ist an der Verarbeitung und Analyse der Daten dieser Mission beteiligt. Zusammen mit Beobachtungsdaten aktuell betriebener Sonden wie der Parker Solar Probe der NASA und des Solar Orbiter der ESA, die die Erde-Sonne-Linie verlassen, wird dies ein besseres Verständnis der dreidimensionalen Struktur des koronalen Netzes ermöglichen.

Journal Referenz:

1. LP Chitta, DB Seaton, C. Downs, CE DeForest, AK Higginson. Direkte Beobachtungen eines komplexen koronalen Netzes, das hochstrukturierten langsamen Sonnenwind antreibt. Natur Astronomie, 24. November 2022. DOI: 10.1038/s41550-022-01834-5