Sonne, so genannte Switchbacks, pumpen genug Energie in den Sonnenwind, um ihn auf unerwartet hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen.(Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab/Adriana Manrique Gutierrez)
Unsere Sonne ist bei weitem nicht der glatte, unveränderliche Lichtball, den wir am Himmel sehen. Aus der Nähe betrachtet, rumpelt ihre „Oberfläche“ mit mächtigen Wirbeln, die regelmäßig überhitztes Material ins All schleudern.
Astronomen fragen sich seit langem, wie dieses ausgestoßene Material – meist Ströme geladener Teilchen, die als Sonnenwind bezeichnet werden – sich aufheizt und auf Geschwindigkeiten von mehr als 500 Kilometern pro Sekunde beschleunigt – lange nachdem es die Sonne verlassen hat.
Ein Team von Heliophysikern hat nun überzeugende Beweise dafür gefunden, dass energiegeladene Plasmawellen, die als Alfvén-Wellen bekannt sind, in der Lage sind, genügend Energie in die Sonnenwindströme zu pumpen, um sie auf ihre unerwartet hohen Geschwindigkeiten zu treiben.
„Diese Entdeckung ist eines der wichtigsten Puzzlestücke zur Beantwortung der 50 Jahre alten Frage, wie der Sonnenwind in den innersten Bereichen der Heliosphäre beschleunigt und aufgeheizt wird“, sagte Adam Szabo, der bei der NASA die wissenschaftliche Leitung der Parker Solar Probe Mission innehat und nicht an der neuen Forschung beteiligt war, in einer kürzlich veröffentlichten Erklärung der NASA.
„Es hat mehr als ein halbes Jahrhundert gedauert, um zu bestätigen, dass die Beschleunigung und Erwärmung durch Alfvén-Wellen wichtige Prozesse sind, und dass sie in etwa so ablaufen, wie wir es uns vorstellen“, fügte John Belcher, emeritierter Professor für Physik am Massachusetts Institute of Technology, hinzu, der die Alfvén-Wellen im Sonnenwind mitentdeckt hat und ebenfalls nicht an den neuen Forschungen beteiligt war.
Der neue Hinweis auf das jahrzehntealte Rätsel entstand dank einer zufälligen Gegenüberstellung von zwei sonnenbeobachtenden Raumsonden, die den Wissenschaftlern einen seltenen Platz in der ersten Reihe bot, um denselben Fleck Sonnenwind an zwei Tagen zu untersuchen.
Im Februar 2022 entdeckte die Parker-Sonnensonde der NASA eine Tasche mit Sonnenwind, der aus der äußeren Atmosphäre der Sonne, der Korona, austrat. Die Sonde, das schnellste von Menschenhand geschaffene Objekt in der Geschichte, registrierte, dass sich der Wind mit einer Geschwindigkeit von 390 km pro Sekunde fortbewegt und eine Fülle von energiereichen Alfvén-Wellen aufweist, von denen bekannt ist, dass sie Energie durch den Sonnenwind transportieren, so wie Schallwellen auf der Erde Energie durch die Luft transportieren.
Zwei Tage später registrierte der Solar Orbiter der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), der zu diesem Zeitpunkt jenseits der Venusumlaufbahn flog, dass sich derselbe Fleck Sonnenwind noch schneller bewegte, nämlich mit 510 km pro Sekunde. Die Instrumente des Solar Orbiter zeigten, dass die Alfvén-Wellen fast verschwunden waren, wie die Forscher in einem am 29. August in der Zeitschrift Science veröffentlichten Artikel schreiben.
Die Hauptautorin der Studie, Yeimy Rivera vom Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) in Massachusetts, und ihre Kollegen verglichen die Daten der beiden Raumsonden. Sie fanden heraus, dass die vom Plasma gewonnene Energie mit der durch Alfvén-Wellen verlorenen Energie übereinstimmt, was bedeutet, dass die Wellen tatsächlich genug Energie in den Sonnenwind pumpen, um ihn zu beschleunigen.
„Vor dieser Arbeit wurden Alfvén-Wellen als potenzielle Energiequelle vorgeschlagen, aber wir hatten keine definitiven Beweise“, sagte Rivera in einer Erklärung der ESA.
„Uns war zunächst nicht klar, dass Parker und Solar Orbiter überhaupt das Gleiche messen“, sagte Studienmitautor Samuel Badman, ebenfalls vom CfA, in der NASA-Erklärung. „Als wir die beiden miteinander verbanden, war das ein echter Heureka-Moment.“
Wissenschaftler gehen davon aus, dass die zusätzliche Energie von abrupten Richtungsänderungen des Magnetfelds der Sonne herrührt, die als „Switchbacks“ bezeichnet werden und dafür bekannt sind, dass sie in der Nähe der Sonne deutlicher und stärker werden. Wenn der von der Sonne ausgestoßene Sonnenwind wegweht, liefern Alfvén-Wellen in Form von Umkehrungen ausreichend Energie, um die beobachtete Beschleunigung und zusätzliche Wärme des Stroms zu erklären, so die neue Studie.
„Diese Messungen haben uns gezeigt, dass die Energie aus den Umlenkungen sowohl notwendig als auch ausreichend ist, um die Entwicklung des Sonnenwindes zu erklären, während er sich von der Sonne entfernt“, schreiben die Forscher in The Conversation.
Unsere Sonne ist natürlich der einzige Stern im Universum, dessen Wind Wissenschaftler direkt untersuchen können. „Was wir über unsere Sonne gelernt haben, gilt möglicherweise auch für andere sonnenähnliche Sterne und vielleicht auch für andere Arten von Sternen, die Winde haben“, so Badman.
