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Wir wissen viel über die Sonne, aber diese drei Rätsel geben den Wissenschaftlern weiterhin Rätsel auf.(Bildnachweis: Javier Zayas Photography via Getty Images)Springe zu:

• 1. Das Problem der koronalen Erwärmung
• 2. Der Innendynamo der Sonne und der Sonnenzyklus
• 3. Vorhersage von Sonneneruptionen und koronalen Massenauswürfen
• Welche Instrumente haben wir, um diese Fragen zu beantworten?

Seit wir begonnen haben, Satelliten ins All zu schicken, ist unser Wissen über die Sonne exponentiell gewachsen. Wir haben die Sonne in neuen Wellenlängen gesehen und unseren Heimatstern zum ersten Mal im Ultraviolett und im Röntgenlicht beobachtet. Diese Beobachtungen enthüllten viele neue, unerklärliche Phänomene auf der Sonne. Viele dieser frühen Sonnenbeobachtungen sind längst geklärt, aber es gibt noch immer Rätsel über die Sonne, die Wissenschaftler zu verstehen versuchen.

Hier stellen wir drei der wichtigsten Rätsel unseres Heimatsterns vor, obwohl es sicherlich noch weitere gibt. Die meisten aktuellen und zukünftigen Projekte zur Beobachtung der Sonne, entweder vom Boden oder aus dem Weltraum, beinhalten eines oder mehrere dieser Rätsel als primäres wissenschaftliches Ziel.

1. Das Problem der koronalen Erwärmung

Die äußere Atmosphäre der Sonne, die sogenannte Korona, hat eine Temperatur von etwa 1,8 Millionen Grad Fahrenheit (1 Million Grad Celsius). Die Oberfläche der Sonne, die so genannte Photosphäre, hat jedoch eine viel, viel kühlere Temperatur von 10.000 F (5.500 C). Auf den ersten Blick erscheint dies rätselhaft. Wenn die Sonnenatmosphäre ihre Energie von der Sonne erhält, wie kann dann die Korona heißer sein als die Sonne selbst?

Die Korona ist während einer totalen Sonnenfinsternis sichtbar. (Bildnachweis: Copyright Miloslav Druckmüller, Shadia Habbal, Peter Aniol, Pavel Starha)

Eine gängige Analogie, um dies zu erklären, ist ein Lagerfeuer: Wenn ein Lagerfeuer Wärme abgibt, würde man erwarten, dass die Luft in größerer Entfernung vom Lagerfeuer kühler und nicht heißer wird – wie es bei der Sonne der Fall ist. Dies ist jedoch eine schreckliche Analogie, weil sie die wahre Definition von Temperatur in der Physik missversteht.

In der Physik ist die Temperatur definiert als die Menge an Energie in den Atomen, aus denen ein Stoff besteht – zum Beispiel die Luft um dich herum. Wenn die Luftatome mit viel Energie schwingen, ist die Luft heiß. Wenn sie weniger schwingen, ist die Luft kühler. Diese Definition berücksichtigt jedoch nicht die Dichte. Wenn die Luft dichter ist und mehr Atome mit der gleichen Temperatur enthält, ändert sich die Lufttemperatur nicht. Was sich jedoch ändert, ist die Energie in der Luft um uns herum.

Im Zusammenhang mit der Sonne ist die Korona also viel heißer – aber viel weniger dicht – als die Sonnenoberfläche. Die Oberfläche hingegen ist kühler, hat aber eine viel höhere Dichte. Das Ergebnis ist, dass die Temperatur der Photosphäre zwar niedriger, die Gesamtenergie aber immer noch höher ist.

Aber obwohl wir wissen, dass die Korona aufgrund der höheren Energie in der Photosphäre heiß ist, ist das Problem der koronalen Erwärmung damit noch nicht gelöst. Es bleibt ein Rätsel, wie die Energie von der Sonnenoberfläche in die Atmosphäre transportiert wird. Es gibt mehrere Theorien, aber unsere Beobachtungen haben noch keine schlüssigen Beweise geliefert … noch nicht.

2. Der Innendynamo der Sonne und der Sonnenzyklus

Die Sonne folgt einem 11-jährigen Zyklus mit zunehmender und abnehmender Aktivität. Auf dem Höhepunkt dieses Sonnenzyklus – dem so genannten Sonnenmaximum – treten zahlreiche Sonnenflecken, Sonneneruptionen und koronale Massenauswürfe (CMEs) auf. Im solaren Minimum ist die Sonne für Monate bis Jahre inaktiv. Die Dauer des 11-Jahres-Zyklus ist recht gut vorhersehbar und liegt immer ziemlich genau in dieser Zeitspanne. Was sich jedoch von Zyklus zu Zyklus erheblich ändert, ist die Größe des solaren Maximums. Einige Sonnenzyklen haben ein Maximum, das mehr als doppelt so hoch ist wie das der anderen.

NOAA ISES Sonnenzyklus-Sonnenfleckenzahlverlauf: Die Sonnenzyklen 19-24 zeigen deutlich unterschiedliche Amplituden des solaren Maximums. (Bildnachweis: NOAA Space Weather Prediction Center)

Im Allgemeinen verstehen wir, was den Sonnenzyklus antreibt. Da die Sonne in verschiedenen Breitengraden mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotiert, windet sich das globale Magnetfeld langsam auf und wird konzentrierter, was zu mehr magnetischer Aktivität führt. Schließlich windet sich das Magnetfeld so stark auf, dass es unter der Sonnenoberfläche verschwindet und ein grundlegendes solares Minimummagnetfeld zum Vorschein kommt. Obwohl wir dies auf oberster Ebene verstehen, ist die komplizierte Physik, die das Magnetfeld der Sonne aus dem Inneren der Sonne antreibt – der so genannte Sonnendynamo – und warum dieser 11-Jahres-Zyklen mit unterschiedlichen Spitzenwerten verursacht, noch nicht vollständig verstanden.

3. Vorhersage von Sonneneruptionen und koronalen Massenauswürfen

Eine Sonneneruption bricht am 23. Juli 2024 auf der anderen Seite der Sonne aus. (Bildnachweis: Helioviewer.org)

Sonneneruptionen und CMEs (Eruptionen der Sonne) sind die Hauptfaktoren des Weltraumwetters – der Einfluss der Sonne auf die erdnahe Umgebung, mit Auswirkungen auf unsere Stromnetze, Satelliten und Funkkommunikation. Weltweit veröffentlichen Dutzende von Weltraumwetterexperten regelmäßig Vorhersagen für die wichtigsten Interessengruppen und informieren sie über mögliche Störungen durch die Sonne. Diese Meteorologen leisten fantastische Arbeit, aber sie sind sowohl durch die verfügbaren Beobachtungen als auch durch unser begrenztes kollektives Wissen über die Ursachen von Sonneneruptionen und CMEs stark eingeschränkt.

Gegenwärtig ist unsere Vorhersage von Flares und CMEs probabilistisch und reaktiv. Wir können zwar bestimmen, wann sie mit hoher Wahrscheinlichkeit auftreten, aber nicht, wann sie genau ausbrechen werden. Um diese Ereignisse besser vorhersagen zu können, müssen wir zunächst die komplizierten Prozesse verstehen, die Fackeln und CMEs auf sehr kleinen Skalen auslösen. Dies ist ein weiterer wichtiger Bereich der laufenden Forschung.

Welche Instrumente haben wir, um diese Fragen zu beantworten?

Ein künstlerisches Konzept der Parker Solar Probe der NASA, die die Sonne beobachtet. (Bildnachweis: NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben)

Wir befinden uns derzeit in einer datenreichen Ära der Sonnenphysikforschung. Im Weltraum hat die NASA eine Reihe von heliophysikalischen Missionen in der Erdumlaufbahn, darunter das Solar Dynamics Observatory und den Interface Region Imaging Spectrograph. Im Laufe dieses Jahrzehnts wird die NASA-Mission Multi-slit Solar Explorer hinzukommen. Zu den wichtigsten Teleskopen in der Erdumlaufbahn gehören auch Japans Hinode, Indiens Aditya-L1 und Chinas Advanced Space-based Solar Observatory.

In der Umlaufbahn um die Sonne befinden sich der Solar Orbiter der Europäischen Weltraumorganisation und die Parker Solar Probe der NASA. Und schließlich haben wir eine Reihe von Sonnenteleskopen auf dem Boden, von denen das Inouye-Sonnenteleskop der National Science Foundation das größte ist. Zusammen leisten diese Sonnenphysik-Missionen neben anderen eine fantastische Arbeit bei der Bereitstellung von Daten, die zur Lösung der großen Rätsel der Sonne beitragen.