In Kürze:
- Ein Solar-Teleskop auf Hawaii entdeckt kleine Wirbel auf der Sonnenoberfläche.
- Forscher werten das als Anzeichen von Instabilitäten im Sonnenplasma.
- Die Entdeckung soll dazubeitragen explosive Sonnenausbrüche besser zu verstehen.
Forschern des US-amerikanischen Sonnen- und des Höhenobservatoriums sowie des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen sind erstmals Aufnahmen kleinster wirbelartiger Strukturen auf der Sonnenoberfläche gelungen. Sie nutzten dafür das weltgrößte Sonnenteleskop, das NSF Daniel K. Inouye Solar Telescope auf Hawaii, und verglichen diese Bilder mit denen aufwendiger Computersimulationen.
Kleinste sichtbare Wirbel auf der Sonne
Die Wirbel treten an den Rändern zwischen sogenannten Granulen auf, welche die sichtbare Oberfläche der Sonne dicht an dicht überziehen. Sie messen zwischen 500 und 2.000 Kilometern im Durchmesser. In ihrer Gesamtheit bilden sie die sogenannte Granulation der Sonne: ein Muster, das an die blubbernden Blasen in einer siedenden Flüssigkeit erinnert. Die Granulation entsteht jedoch durch Plasmaströme, die aus dem heißen Innern der Sonne aufsteigen, abkühlen und wieder in die Tiefe sinken.
In der neuen Studie gelang es erstmals, ausgefranst wirkende Strukturen an den Rändern dieser Granulen sichtbar zu machen, die stellenweise verwirbeln und dabei anmuten wie sich brechende Meereswellen. Die „Fransen“ sind stellenweise kaum mehr als 20 Kilometer breit. Diese feinen Strukturen abzubilden, ist vergleichbar damit, eine Ein-Euro-Münze aus einer Entfernung von 180 Kilometern zu erkennen.
„Das ist an der Grenze dessen, was selbst das weltgrößte Sonnenteleskop und modernste Simulationen leisten können“, weiß Michiel van Noort vom MPS.
Van Noort trug als Teil des Teams zu den Beobachtungen auf Hawaii bei und verantwortete die Datenreduktion und Bildrekonstruktion. Die Forscher nutzen eine Breitband-Kamera des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung.
Beobachtungen des Inouye Solar Telescope (o.l., u.l.) zeigen eine „bemerkenswerte Übereinstimmung“ mit Simulationen von Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten (o.r., u.m.), einem universellen physikalischen Phänomen, das auftritt, wenn benachbarte Flüssigkeits- oder Gasschichten sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen. Eine simulierte Karte des Magnetfeldes an der Sonnenoberfläche (u.r.) bestätigt, dass diese Prozesse die Grenzen der magnetischen Elemente physikalisch krümmen und verformen.
Foto: NSF/NSO/AURA/HAO
Instabilitäten im Sonnenplasma
Die Forscher werten die wirbelartigen Plasmaströme als Anzeichen von sogenannten Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten. Dies ist ein bekannter Effekt aus der Dynamik von Flüssigkeiten. Er tritt auf, wenn zwei Fluide mit verschiedenen Geschwindigkeiten aneinander vorbeiströmen. Dabei kommt es an der Grenzfläche zu Scherkräften, durch die kleinste Störungen zu wellen- oder wirbelartigen Strömen anwachsen.
Der Effekt kommt in unterschiedlichsten Bereichen und auf verschiedenen Größenskalen zum Tragen. Man sieht ihn etwa an der Oberfläche von Seen oder bei Meereswellen und bei der Wolkenbildung. Auch in den Atmosphären der riesigen Gasplaneten Jupiter und Saturn ist er zu sehen. Es gibt ihn auch bei der Wechselwirkung des Sonnenwindes mit den Magnetosphären von Planeten.
Offenbar entstehen auch an den Rändern der Sonnengranulen Bereiche, in denen aneinander angrenzende Plasmaschichten mit verschiedenen Geschwindigkeiten strömen und so die notwendigen Voraussetzungen für Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten schaffen.
Die nun entdeckten, im Vergleich zur Sonnenoberfläche, winzigen Plasmawirbel erlauben damit einen völlig neuen Blick auf Prozesse, durch welche die Sonne Energie in ihrem Magnetfeld speichert und freisetzt. Dies geschieht etwa in Form kleinster Strahlungsausbrüche, sogenannter Nano-Flares. Gemäß der gängigen Theorie baut die Sonne magnetische Energie auf, indem sich Magnetfeldlinien verdrillen und verdrehen – ähnlich wie die mechanische Energie, die in einer eng gewunden Metallfeder gespeichert ist.
Verdrillte Magnetfeldlinien an der Grenze des heute Sichtbaren
So entsteht eine sehr energiereiche, aber auch instabile Magnetfeld-Architektur. Die aufgestaute Energie kann sich schlagartig entladen. Dabei reißen die verdrillten Magnetfeldlinien auf und verbinden sich neu. Der Vorgang wird als magnetische Rekonnektion bezeichnet.
Allerdings war bisher unklar, wodurch sich die Magnetfeldlinien überhaupt verdrillen. Die neue Entdeckung könnte einen Teil der Antwort auf diese Frage liefern. Da die Wirbel offenbar ständig und überall dort auftreten, wo das Magnetfeld stark genug ist, könnten sie der Motor sein, der das Verdrillen routinemäßig in Gang setzt. Sami K. Solanki, Direktor des MPS und Koautor der neuen Veröffentlichung erklärte:
„Die Auswertungen zeigen zudem, dass die Mini-Wirbel magnetisiertes und nicht magnetisiertes Plasma an der Sonnenoberfläche effizient vermischen. Dies könnte dazu beitragen, dass sich das Magnetfeld von der Oberfläche rasch in die Atmosphäre der Sonne ausbreitet.„Die neu entdeckten Plasmawirbel zeigen auf beeindruckende Weise, wie kleinste Prozesse – an der Grenze dessen, was wir mit allen Mitteln der Kunst auflösen können – maßgeblich das Wesen unseres Sterns bestimmen.“
Das ist wichtig, um zu verstehen, warum die Sonnenaktivität im elfjährigen Rhythmus ansteigen und wieder abfallen kann. Denn ein Wechsel von niedriger zu hoher Aktivität ist begleitet von einem raschen Wechsel des magnetischen Grundgerüsts der Sonne von einem relativ geordneten Dipol-Magnetfeld zu einem chaotischen Feld und wieder zurück.
Diese Veränderungen sind nur möglich, wenn magnetischer Fluss effizient durch die Sonnenatmosphäre „abtransportiert“ wird. Bisherige Modelle können eine solch schnelle „Diffusion“ nicht erklären. Die neu entdeckten Wirbel könnten das Verständnis des Sonnenzyklus einen entscheidenden Schritt voranbringen.
Mit Material der Max-Planck-Gesellschaft