Kleinste Wirbel auf der Sonnenoberfläche entdeckt
Weltgrößtes Sonnenteleskop macht erstmals kleine Wirbel auf der Sonnenoberfläche sichtbar, die unser Verständnis der Sonne verändern könnten
Auf den Punkt gebracht
- Erstmalige Beobachtung kleinster Wirbel auf der Sonnenoberfläche: Aufnahmen des National Science Foundation (NSF) Daniel K. Inouye Solar Telescope mit seinem 4-Meter Spiegel auf Hawaii enthüllen kleinste Wirbel an der Sonnenoberfläche, die bisher noch nie zuvor zu sehen waren
- Übereinstimmung mit Computersimulationen: Die mit dem Teleskop beobachteten Wirbel an den Rändern der Blasen des Sonnenplasmas stimmen sehr gut mit Strukturen überein, die komplexe Computersimulationen alleine mit den Gesetzen der Physik vorhersagen
- Verständnis explosiver Sonnenausbrüche: Die Entdeckung hilft zu verstehen, wie sich Energie im Magnetfeld der Sonne aufstaut, um sich dann explosiv zu entladen
- Instabilitäten im Sonnenplasma: Die Forschenden werten die Wirbel als Anzeichen von Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten. Der Effekt tritt auf, wenn Fluide mit verschiedenen Geschwindigkeiten aneinander vorbeiströmen
Forschenden des US-amerikanischen National Solar Observatory der National Science Foundation, des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung in Göttingen und des ebenfalls US-amerikanischen High Altitude Observatory sind erstmals Aufnahmen kleinster wirbelartiger Strukturen auf der Sonnenoberfläche gelunden. Sie nutzten dafür das weltgrößte Sonnenteleskop, das NSF Daniel K. Inouye Solar Telescope auf Hawaii und verglichen diese Bilder mit denen aufwendiger Computersimulationen.
Kleinste Wirbel auf der Sonne
„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“, sagt Michiel van Noort vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung. Van Noort trug als Teil des Teams zu den Beobachtungen auf Hawaii bei und verantwortete die Datenreduktion und Bildrekonstruktion. Die Forschenden nutzen eine Breitband-Kamera des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung.
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 sogenannte Granulation der Sonne: ein Muster, das an die blubbernden Blasen in einer siedenden Flüssigkeit erinnert. Die Granulation entsteht 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 der Granulen sichtbar zu machen, die 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 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 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.
Die bemerkenswerte Übereinstimmung beider Bilder ermöglicht es Forschenden, den Ursprung der Kelvin-Helmholtz-Instabilität zu bestätigen – ein universelles physikalisches Phänomen, das auftritt, wenn benachbarte Flüssigkeits- oder Gasschichten sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen und an ihrer Grenzfläche Wirbelmuster erzeugen. Eine simulierte Karte des Magnetfeldes an der Sonnenoberfläche (unten rechts) bestätigt, dass diese Prozesse die Grenzen der magnetischen Elemente physikalisch krümmen und verformen.
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. Das ist wichtig, um zu verstehen, wwarum 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 gewordneten 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 also einen entscheidenden Schritt voranbringen.
