- Entdeckung: Aufnahmen des National Science Foundation (NSF) Daniel K. Inouye Solar Telescope sowie Computersimulationen enthüllen kleinste Wirbel an der Sonnenoberfläche, die noch nie zuvor zu sehen waren.
- Durchbruch: Die Entdeckung ist ein entscheidender Durchbruch. Sie kann helfen zu verstehen, wie sich Energie im Magnetfeld der Sonne aufstaut, um sich dann explosiv zu entladen.
- Veröffentlichung: Forschende des NSF National Solar Observatory (USA), des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (Deutschland) und des High Altitude Observatory (USA) berichten von ihrer Entdeckung in der Fachzeitschrift Nature.
- Instabilität: Die Forschenden werten die Wirbel als Anzeichen von Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten. Der Effekt tritt auf, wo Fluide mit verschiedenen Geschwindigkeiten aneinander vorbeiströmen.
Forschenden des US-amerikanischen National Solar Observatory der National Science Foundation (NSF NSO), des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen und des ebenfalls US-amerikanischen High Altitude Observatory (HAO) ist eine bahnbrechende Entdeckung auf dem Gebiet der Sonnenphysik gelungen. Neue Aufnahmen der Sonnenoberfläche mit Hilfe des weltgrößten Sonnenteleskops, des NSF Daniel K. Inouye Solar Telescope, das vom NSO auf Hawaii gebaut wurde und betrieben wird, sowie hoch aufwändige Computersimulationen zeigen winzige Plasmawirbel, die noch nie zuvor sichtbar gemacht wurden.
„Um die Wirbel erkennen zu können, müssen Strukturen von etwa 20 Kilometern Größe auf der Sonnenoberfläche aufgelöst werden. Das ist an der Grenze dessen, was selbst das weltgrößte Sonnenteleskop und modernste Simulationen leisten können“, so MPS-Wissenschaftler und Koautor der neuen Veröffentlichung Michiel van Noort, der zu den Beobachtungen auf Hawaii beigetragen hat sowie für Datenreduktion und Bildrekonstruktion verantwortlich war. Die Forschenden nutzen eine Breitband-Kamera des MPS.
Die Wirbel treten an den Rändern zwischen so genannten Granulen auf, welche die sichtbare Oberfläche der Sonne dicht an dicht überziehen. Sie messen zwischen 500 und 2000 Kilometern im Durchmesser. In ihrer Gesamtheit bilden sie die Granulation der Sonne: ein Muster, das an die blubbernden Blasen in einer siedenden Flüssigkeit erinnert. In der Tat rührt die Granulation von Plasmaströmen her, die aus dem heißen Innern der Sonne aufsteigen, sich abkühlen und wieder in die Tiefe sinken. In der neuen Studie gelingt es nun erstmals, ausgefranst wirkende Strukturen an den Rändern der Granulen sichtbar zu machen, die sich immer wieder stellenweise verwirbeln – und dabei anmuten wie sich brechende Meereswellen. Die „Fransen“ sind zum Teil kaum mehr als 20 Kilometer breit. Diese feinen Strukturen aufzulösen, ist vergleichbar damit, eine Ein-Euro-Münze aus einer Entfernung von 180 Kilometern zu erkennen.
Instabilitäten im Sonnenplasma
Die Forschenden werten die wirbelartigen Plasmaströme als Anzeichen von Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten. Dies ist ein bekannter Effekt aus der Fluiddynamik. 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 können. Der Effekt kommt in unterschiedlichsten Bereichen und auf verschieden Größenskalen zum Tragen, etwa an der Oberfläche von Seen oder bei Meereswellen, bei der Wolkenbildung, in den Atmosphären der riesigen Gasplaneten Jupiter und Saturn sowie 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.
Verdrillte Magnetfeldlinien
Die nun entdeckten, winzigen Plasmawirbel auf der Sonne erlauben einen völlig neuen Blick auf Prozesse, durch welche die Sonne Energie in ihrem Magnetfeld speichert und freisetzt, etwa in Form kleinster Strahlungsausbrüche, so genannter Nano-Flares. Gemäß der gängigen Theorie baut die Sonne magnetische Energie auf, in dem sich Magnetfeldlinien verdrillen und verdrehen – ähnlich wie die mechanische Energie, die in einer eng gewunden Metallfeder gespeichert ist. 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.
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 und dort diffundiert. Getrieben von Veränderungen im Magnetfeld der Sonne schwankt die Aktivität unseres Sterns in einem elfjährigen Rhythmus – und damit im kosmischen Maßstab außergewöhnlich schnell. Ein solch rascher Wechsel im magnetischen „Grundgerüst“ der Sonne ist nur möglich, wenn magnetischer Fluss effizient durch die Sonnenatmosphäre „abtransportiert“ werden kann. Bisherige Modelle können eine solch schnelle Diffusion nicht erklären. Auch in dieser Frage könnten die neu entdeckten Wirbel unser Verständnis einen entscheidenden Schritt voranbringen.
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. Sami K. Solanki, Direktor des MPS und Koautor der neuen Veröffentlichung