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Die Sonne im Weltraum.(Bildnachweis: NASA)

Astronomen, die versuchen, das Alter der Sonne zu messen, indem sie die Vibrationen im Inneren der Sonne analysieren, haben etwas Beunruhigendes festgestellt. Es scheint, dass der solare Zyklus der magnetischen Aktivität ihre Bemühungen behindert. Natürlich können wir das wahre Alter der Sonne mit unabhängigen Mitteln überprüfen – und wir wissen daher, dass sie etwa 4,6 Milliarden Jahre alt ist -, aber dieses Problem mit der Messung des Alters von Sternen durch Schwingungen droht die Versuche zu vereiteln, die grundlegenden Eigenschaften anderer Sterne zu messen.

Wir kennen das Alter der Sonne, weil es Wissenschaftlern zum Beispiel gelungen ist, den radioaktiven Zerfall von Atomen in unserem Sonnensystem zu messen, die sich zusammen mit den Planeten und der Sonne gebildet haben. Von radioaktivem Zerfall spricht man, wenn der Kern eines Atoms durch Strahlung Energie verliert und in ein stabileres Element zerfällt. Die Zerfallsrate einer Menge radioaktiven Materials wird als Halbwertszeit bezeichnet, d. h. die Zeit, die vergeht, bis die Hälfte dieser Menge zerfallen ist, so dass wir anhand des zeitlichen Verlaufs des Zerfalls zurückverfolgen können, wie alt sie ist. Indem wir die Zeitspanne des radioaktiven Zerfalls von Atomen in unserem Sonnensystem verfolgen, können wir also das Alter unseres Sonnensystems ableiten. Darüber hinaus sind die detaillierten Modelle der Wissenschaftler über die Entwicklung der Sterne der Schlüssel zur Bestimmung des Alters der Sonne.

Es gibt noch eine andere Möglichkeit, das Alter der Sonne oder eines anderen Sterns zu bestimmen. Man nennt es Helioseismologie, wenn es sich um die Sonne handelt, und Asteroseismologie, wenn es sich um andere Sterne handelt.

„Man muss sich einen Stern als einen großen Gasball in ständiger Bewegung vorstellen“, sagte Jérôme Bétrisey von der Universität Genf in einer Erklärung. „Im Inneren dieses Sterns gibt es Wellen oder Pulsationen, die ihn in Schwingung versetzen, ähnlich wie der Klang, der in einem Musikinstrument mitschwingt. Diese Schwingungen bewirken, dass sich die Oberfläche des Sterns leicht bewegt und seine Leuchtkraft regelmäßig ändert. Dank sehr präziser Instrumente können wir diese Helligkeitsschwankungen nachweisen.“

Es gibt mehrere verschiedene Schwingungsmuster oder -moden, die sich in der Sonne überlagern, alle mit unterschiedlichen Perioden und Frequenzen. Und so wie die Untersuchung seismischer Wellen auf der Erde uns etwas über das Innere unseres Planeten verraten kann, wenn die Erschütterungen durchlaufen, geben die Schwingungen in der Sonne Aufschluss über ihre innere Struktur. Durch den Vergleich dieser Schwingungen mit detaillierten Modellen, die zeigen, wie das Innere der Sonne in verschiedenen Altersstufen aussehen sollte, können Sonnenphysiker feststellen, wie alt die Sonne derzeit ist.

Schnappschüsse der Sonne für jedes Jahr des Sonnenzyklus 23, der kurz nach dem Start der Raumsonde SOHO begann, die diese Bilder im extrem ultravioletten Licht aufnahm. Man kann sehen, wie die magnetische Aktivität bis zum solaren Maximum im Jahr 2001 ansteigt und dann wieder abnimmt. (Bildnachweis: ESA und NASA)

Doch frühere Messungen haben Diskrepanzen zwischen den Beobachtungen des Sonnenalters und den theoretischen Modellen aufgezeigt – und nun hat ein Team unter der Leitung von Bétrisey gezeigt, dass wahrscheinlich die eigene magnetische Aktivität der Sonne der Grund dafür ist. Das ist überraschend, denn bisher war man davon ausgegangen, dass die magnetische Aktivität keinen Einfluss haben sollte.

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Bétriseys Team untersuchte die Daten von 26,5 Jahren aus zwei Sonnenbeobachtungsprogrammen. Das eine war BISON, das Birmingham Solar Oscillations Network, eine Sammlung von bodengestützten Sonnenobservatorien, die von Wissenschaftlern der Universität Birmingham in Großbritannien betreut werden. Das andere war GOLF, das Global Oscillations at Low Frequency Instrument auf der gemeinsamen NASA-ESA SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) Mission, die 1995 gestartet wurde.

Unsere Sonne durchläuft einen 11-jährigen Zyklus magnetischer Aktivität, der vom solaren Minimum, in dem kaum Sonnenflecken zu sehen sind, bis zum solaren Maximum reicht, in dem es Sonnenflecken, Protuberanzen, koronale Massenauswürfe und Flares in Hülle und Fülle gibt.

Die BISON- und GOLF-Daten zeigten einen Unterschied von 6,5 % bei der Messung des Sonnenalters mittels Helioseismologie beim Sonnenminimum im Vergleich zum Sonnenmaximum. Darüber hinaus zeigten sowohl BISON als auch GOLF, dass von den beiden Sonnenzyklen, die von den 26,5-jährigen Beobachtungen erfasst wurden, der Zyklus mit der stärkeren magnetischen Aktivität einen größeren Einfluss auf die Diskrepanz bei der Altersmessung hatte.

Da die Sonne im Großen und Ganzen kein sehr aktiver Stern ist, deuten die Ergebnisse von BISON und GOLF darauf hin, dass „die Auswirkungen der magnetischen Aktivität bei aktiveren Sternen wie denen, die PLATO aufspüren wird, sehr bedeutend sein könnten“, so Bétrisey.

PLATO (Planetary Transits and Oscillations of Stars), eine bevorstehende Mission, die von der Europäischen Weltraumorganisation im Jahr 2026 gestartet werden soll, wird Sterne untersuchen und nach Einbrüchen in ihrem Licht suchen. Einige dieser Einbrüche werden durch transitierende Exoplaneten verursacht, aber PLATO wird auch in der Lage sein, Einbrüche in der Leuchtkraft von Sternen aufzuspüren, die auf asteroseismische Oszillationen zurückzuführen sind, aus denen die Astronomen wichtige stellare Statistiken wie Masse, Radius und sogar das Alter bestimmen können. Obwohl der Grund für die Beeinflussung der asteroseismischen Messungen durch die magnetische Aktivität noch nicht klar ist, muss er bei den PLATO-Beobachtungen berücksichtigt werden. Das Team von Bétrisey weist auch darauf hin, dass frühere Messungen, wie die mit dem Kepler-Weltraumteleskop der NASA, möglicherweise überdacht werden müssen.

Wie Bétrisey und seine Kollegen in ihrem Forschungspapier beschreiben, ist dies eine „drohende Herausforderung“ für die Zukunft der Asteroseismologie.

Die Ergebnisse wurden am 8. August in der Zeitschrift Astronomy and Astrophysics veröffentlicht.