Die Sonne in verschiedenen Gammastrahlungsintensitäten zwischen 2013 und 2015 (Bildnachweis: Arsioli und Orlando 2024 & NASA/SDO/Duberstein)
Wenn Sonnenforscher nicht schon begierig darauf sind, die Sonne zu beobachten, wenn sie 2024 ihr Sonnenmaximum erreicht, wird ein neu entdecktes Gammastrahlenrätsel diesen Wunsch noch verstärken.
Bei der Auswertung von Daten des Fermi-Weltraumteleskops der NASA aus 14 Jahren entdeckte ein Forscherteam, dass während des letzten Sonnenmaximums in den Jahren 2013 und 2014 die Polarregionen der Sonne hochenergetische Gammastrahlung ausstießen, die bis zu zehnmal höher war als erwartet.
Es ist bekannt, dass die Sonne in allen Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung leuchtet, einschließlich der Gammastrahlung, aber es wurde erwartet, dass diese gleichmäßig über die gesamte Sonnenoberfläche verteilt ist. Das Team, das die hohe Aktivität in den Polarregionen entdeckt hat, kann sich dieses Ungleichgewicht derzeit nicht erklären.
„Die Untersuchung der Gammastrahlungsemissionen der Sonne stellt ein neues Fenster dar, um die physikalischen Prozesse zu untersuchen und zu verstehen, die in der Atmosphäre unseres Sterns ablaufen“, sagte der Leiter des Teams und Forscher des Instituts für Astrophysik und Weltraumwissenschaften Bruno Arsioli in einer Erklärung.
„Was sind die Prozesse, die diese Überschüsse an den Polen erzeugen? Vielleicht gibt es zusätzliche Mechanismen, die Gammastrahlen erzeugen, die über die Wechselwirkung der kosmischen Strahlung mit der Sonnenoberfläche hinausgehen.“
Jeder Sonnenzyklus beschreibt periodische Veränderungen in der magnetischen Aktivität der Sonne, die etwa 11,5 Jahre dauern und eine Periode intensiver Aktivität, das so genannte Sonnenmaximum, aufweisen, in der mehr Sonnenflecken über die Sonnenoberfläche verteilt sind, mehr Sonneneruptionen und mehr riesige Plasmaausbrüche, so genannte koronale Massenauswürfe (CME).
Das bevorstehende Sonnenmaximum des aktuellen Sonnenzyklus, der im Dezember 2019 begonnen hat, Sonnenzyklus 25, könnte erklären, warum die Sonne während des Aktivitätsmaximums des letzten Zyklus an ihren Polen heller in Gammastrahlen leuchtete.
Das Verständnis des Verhaltens der Sonne bei diesen Maxima könnte den Wissenschaftlern helfen, das Weltraumwetter besser vorherzusagen, das durch Eruptionen und Ausströmungen von der Sonne ausgelöst wird, die die Energie- und Kommunikationsinfrastrukturen hier auf der Erde stören sowie möglicherweise Satelliten beschädigen und Astronauten gefährden können.
Beobachtung eines kompletten Sonnenzyklus mit dem Fermi-Weltraumteleskop der NASA
Die von Arsioli und Kollegen verwendeten Daten wurden von den Gammastrahlen-Auffanginstrumenten des Fermi-Teleskops zwischen August 2008 und Januar 2019 gesammelt und umfassen einen kompletten Sonnenzyklus vom Sonnenminimum eines Zyklus über das Sonnenmaximum bis zum Sonnenminimum des nächsten Zyklus.
Um die Daten sinnvoll zu nutzen, entwickelte das Team ein Instrument, mit dem die Gammastrahlen der Sonne von der hochenergetischen Strahlung anderer Quellen am Hintergrundhimmel getrennt werden konnten. Dies führte zur Integration der solaren Gammastrahlungsereignisse in ein Fenster von 400 bis 700 Tagen, das über den 14-jährigen Beobachtungszeitraum verschoben werden kann, um sich auf die Gammastrahlenaktivität zu bestimmten Zeiten zu konzentrieren.
Das NASA-Fermi-Teleskop umkreist die Erde und beobachtet hochenergetische Gammastrahlen, die von der Sonne kommen. (Bildnachweis: NASA/Robert Lea)
Obwohl die Sonne in allen Wellenlängenbereichen des Lichts strahlt, kommen 99 % ihres Lichts in Form von ultravioletter, sichtbarer und infraroter Strahlung. Die viel energiereichere Gammastrahlung, die von unserem Stern ausgesandt wird, stammt von Sonneneruptionen, der Korona der Sonne und in geringerem Maße von der Photosphäre, die grob als Sonnenoberfläche betrachtet wird.
„Die Sonne wird mit nahezu lichtschnellen Teilchen aus allen Richtungen von jenseits unserer Galaxie bestrahlt“, sagte der Leiter des Teams und Forscher am Institut für Astrophysik und Weltraumwissenschaften Bruno Arsioli in der Erklärung. „Diese so genannten kosmischen Strahlen sind elektrisch geladen und werden von den Magnetfeldern der Sonne abgelenkt. Diejenigen, die mit der Sonnenatmosphäre interagieren, erzeugen einen Schauer von Gammastrahlen.“
Wissenschaftler waren davon ausgegangen, dass diese Gammastrahlenschauer gleichmäßig über die Sonne verteilt sind. Im Gegensatz dazu deuten die Ergebnisse von Arsioli und Kollegen darauf hin, dass etwas mit dem Magnetfeld der Sonne in größeren Höhen passiert, das die Gammastrahlenproduktion an den Polen verstärkt.
Die Forscher entdeckten auch eine weitere Gammastrahlen-Asymmetrie, diesmal zwischen den beiden Polen und in Bezug auf die Energie der erzeugten Gammastrahlen-Photonen.
„Am Südpol gibt es einen Überschuss an Emissionen höherer Energie, von Photonen mit 20 bis 150 Gigaelektronenvolt (GeV), während die meisten der weniger energiereichen Photonen vom Nordpol kommen“, fügte Arsioli hinzu.
Die Gammastrahlenemissionen von den Polen waren im Juni 2014 besonders konzentriert, als sich die Magnetpole der Sonne umkehrten, ein Phänomen, das etwa alle 11,5 Jahre auf dem Höhepunkt des Sonnenmaximums auftritt.
„Wir haben Ergebnisse gefunden, die unser derzeitiges Verständnis der Sonne und ihrer Umgebung in Frage stellen“, sagte Elena Orlando, Mitglied des Teams und Wissenschaftlerin an der Universität Triest. „Wir haben eine starke Korrelation zwischen der Asymmetrie der solaren Gammastrahlenemission und dem Umkippen des solaren Magnetfeldes nachgewiesen, was eine mögliche Verbindung zwischen Sonnenastronomie, Teilchenphysik und Plasmaphysik aufzeigt.“
Das Verständnis des Zusammenhangs zwischen der Art und Weise, wie und wo die Sonne Gammastrahlen ausstößt, und der Aktivität unseres Sterns in Zeiten häufigerer Sonneneruptionen und CMEs könnte zu besseren Weltraumwettervorhersagen führen.
„Im Jahr 2024 und im darauffolgenden Jahr werden wir ein neues Sonnenmaximum erleben, und eine weitere Umkehrung der magnetischen Pole der Sonne hat bereits begonnen“, fügte Arsioli hinzu. „Wir erwarten, dass wir bis Ende 2025 neu bewerten können, ob auf die Umkehrung der Magnetfelder ein Überschuss an Gammastrahlenemissionen von den Polen folgt.“
Orlando weist auch darauf hin, dass die Ergebnisse des Teams ein starkes Argument dafür sind, der Gammastrahlung der Sonne mehr Aufmerksamkeit zu schenken.
„Wir haben den Schlüssel gefunden, um dieses Geheimnis zu lüften, was uns zeigt, in welche Richtung wir in Zukunft gehen sollten. Es ist von grundlegender Bedeutung, dass das Fermi-Teleskop in den kommenden Jahren in Betrieb genommen und die Sonne beobachtet wird“, sagte sie.
„Wenn feststeht, dass die hochenergetischen Emissionen tatsächlich Informationen über die Sonnenaktivität enthalten, dann sollte die nächste Mission so geplant werden, dass sie Echtzeitdaten über die Gammastrahlenemissionen der Sonne liefert“, schloss Arsioli.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden in der Zeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht.
