Die Sonnenkorona während einer Sonnenfinsternis.(Bildnachweis: john finney photography/Getty Images)
Wissenschaftler haben sich lange gefragt, warum die heiße Suppe aus geladenen Teilchen in der Sonnenatmosphäre immer heißer wird, je weiter sie sich von der Sonnenoberfläche entfernt.
Neue Forschungsergebnisse könnten die Antwort sein: Die superheiße äußere Atmosphäre oder „Korona“ der Sonne könnte auf das faszinierende Verhalten kleiner Wellen in diesem nebulösen Plasma zurückzuführen sein. Diese Wellen, die den Wissenschaftlern als „kinetische Alfvén-Wellen“ oder „KAWs“ bekannt sind, sind wellenartige Vibrationen von Magnetfeldern, die sich durch Bewegungen in der Photosphäre der Sonne manifestieren.
Die Entdeckungen könnten einen wichtigen Anhaltspunkt für die Entschlüsselung des scheinbar die Physik verblüffenden Rätsels der „koronalen Erwärmung“ liefern, warum die Korona Hunderte Male heißer ist als die sichtbare „Oberfläche“ oder Photosphäre der Sonne, die das gesamte Licht ausstrahlt, das wir von der Sonne sehen.
Das Forschungsteam unter der Leitung von Syed Ayaz, Forscher an der University of Alabama in Huntsville, geht davon aus, dass sich KAWs bei ihrer Ausbreitung zerstreuen und die Korona der Sonne aufheizen. Damit sind sie ein wichtiger, wenn auch kleiner Mechanismus, durch den Energie im Sonnenplasma übertragen wird.
Ayaz zufolge könnte dieses Phänomen erklären, warum die sichtbare Oberfläche der Sonne etwa 5.500 Grad Celsius (10.000 Grad Fahrenheit) hat, während die Korona, der oberste Teil der Sonnenatmosphäre, über 1,1 Millionen Grad Celsius (2 Millionen Grad Fahrenheit) hat.
„Seit Jahrzehnten haben sich Alfvén-Wellen als die besten Kandidaten für den Transport von Energie von einem Ort zum anderen erwiesen“, sagte Ayaz in einer kürzlich abgegebenen Erklärung. „Bisher hat noch keine Sonnensatellitenmission Vorhersagen über diese Phänomene in der Nähe der Sonne gemacht.“
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Wie das Geheimnis der Koronaerwärmung die Physik herausfordert
Der Großteil der Energie der Sonne stammt aus ihrem Kern, in dem die Kernfusion stattfindet. Das bedeutet, dass die Sonne immer heißer wird, je tiefer man sich in ihr bewegt. Die meisten Schichten unseres Sterns gehorchen diesem Prinzip. Allerdings ist die Korona, obwohl sie Millionen von Kilometern weiter vom Sonnenkern entfernt ist als die Sonnenoberfläche, immer noch wesentlich heißer als die Photosphäre.
Ayaz und seine Kollegen untersuchten den Einfluss der KAWs im Plasma, das bis zu einer Höhe schwebt, die dem 10-fachen des Sonnenradius entspricht. Wenn die Wellen bei solchen Entfernungen mit dem geladenen Plasma der Sonne interagieren, das vollgepackt ist mit „Ionen“, also Atomen, die ihrer Elektronen beraubt wurden, „zerstreuen sie sich schnell und geben ihre Energie vollständig an die Plasmateilchen in Form von Wärme ab“, so Ayaz.
Die Ergebnisse des Teams deuten darauf hin, dass die Energie der Wellen die Korona erreichen und aufheizen kann, auch wenn noch unklar ist, wie viel sie zur Temperatur der Korona beitragen.
Ein Diagramm, das die Schichten der Sonne zeigt, einschließlich der Korona und der darunter liegenden Photosphäre (Bildnachweis: NASA)
Diese neue Forschung „bietet wichtige Einblicke in das kritische Problem, wie Energie in einem Magnetfeld umgewandelt wird, um ein Plasma zu erhitzen, das aus geladenen Teilchen wie Protonen und Elektronen besteht“, sagte Gary Zank, Direktor des Zentrums für Weltraumplasma- und Aeronomikforschung an der Universität von Alabama, der nicht an der Arbeit beteiligt war.
Die Ergebnisse der jüngsten Studie werden durch Daten des Solar Orbiter der Europäischen Weltraumorganisation und des Solar Dynamics Observatory (SDO) der NASA gestützt. Das SDO hatte zuvor herausgefunden, dass eine andere Art von hochfrequenter, bogenförmiger magnetischer Welle, die sich durch die Korona ausbreitet, im Laufe der Zeit ebenfalls große Mengen an Energie in die äußere Atmosphäre der Sonne einspeisen kann, was zur Aufheizung der Millionen Grad heißen Schicht beiträgt.
Ähnliche Prozesse, die die Korona der Sonne mit Wärme versorgen, standen im Mittelpunkt einer kürzlich durchgeführten NASA-Sondierungsraketenmission. Die Mission mit dem Namen MaGIXS-2 – kurz für den zweiten Flug des Marshall Grazing Incidence X-ray Spectrometer – wurde Mitte Juli für einige Minuten ins All geschossen, um Röntgenstrahlen von der Sonne zu sammeln.
Diese Strahlen sind besonders aufschlussreich, da sie zeigen, wie oft Energieausbrüche in unserem Stern freigesetzt werden, was den Wissenschaftlern helfen könnte, mehr darüber herauszufinden, wie die Korona aufgeheizt wird.
Auch wenn die Wissenschaftler weiterhin versuchen, das Rätsel zu lösen, wie die Korona der Sonne so heiß wird, werden andere Heizmechanismen, die mit dem Magnetfeld der Sonne zusammenhängen, ausgeschlossen. So vermuteten die Wissenschaftler, dass bestimmte S-förmige Krümmungen im Magnetfeld der Sonne viel magnetische Energie bündeln, die in das umgebende Plasma freigesetzt wird, es aufheizt und die sturmartigen Sonnenwinde beschleunigt.
Eine Analyse der ersten 14 Sonnenumrundungen der Parker Solar Probe, die am Montag in der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurde, ergab jedoch keinen Hinweis auf die gesuchte Eigenschaft in der Korona.
Mojtaba Akhavan-Tafti, ein Forscher an der Universität von Michigan, der die Studie leitete, merkte in einer Erklärung an, dass die bevorstehenden Ausflüge der Parker Solar Probe in die Sonne, wahrscheinlich schon im Dezember dieses Jahres, weitere Erkenntnisse über das jahrzehntealte Geheimnis liefern könnten.
Die Studie des Teams wurde letzte Woche in der Zeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht.
