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Eine Illustration eines starken Superflare (Bildnachweis: University of Warwick/Mark Garlick)

Unsere Sonne ist für ihre gelegentlichen Energieausbrüche bekannt, die als Sonneneruptionen bezeichnet werden und Weltraumwetter auslösen können, das die Kommunikations- und Energieinfrastruktur auf der Erde stören kann. Aber wir sollten wirklich dankbar sein, dass wir nicht in der Nähe eines Sterns leben, der mit so genannten „Superflare“ ausbricht, die 100- bis 10.000-mal energiereicher sein können als selbst die stärksten Sonneneruptionen. Ein Superflare, der von der Sonne ausgeht, könnte für die Erde katastrophale Folgen haben und die Atmosphäre unseres Planeten und die von ihr abhängigen Lebewesen schwer schädigen. Glücklicherweise werden Superflares in der Nähe von Sternen beobachtet, die so weit entfernt sind, dass sie aus unserer Perspektive nur Lichtpunkte am Himmel sind.

Diese energiereichen Eruptionen erscheinen den Astronomen als plötzliche und extreme Aufhellung dieser fernen Flecken, was die Wissenschaftler dazu veranlasst hat, Sterndetektiv zu spielen, um herauszufinden, warum einige Sterne so heftig ausbrechen.

Und nun hat sich ein Team von Forschern des Mackenzie Center for Radio Astronomy and Astrophysics an der Mackenzie Presbyterian University in Brasilien und der University of Glasgow’s School of Physics and Astronomy in Großbritannien daran gemacht, die beiden Hauptverdächtigen zu untersuchen, die für diese Superflares verantwortlich sein sollen.

Dazu analysierten sie 37 Superflares, die im Doppelsternsystem Kepler-411 beobachtet wurden, sowie weitere fünf, die vom Stern Kepler-396 stammen.

Eine Visualisierung des Sterns Kepler-411A, der Teil eines Doppelsternsystems ist, das das Team aufgrund seiner Fähigkeit, Superflares zu erzeugen, untersucht hat. (Bildnachweis: NASA)

Untersuchung von zwei Superflare-Verdächtigen

Man nimmt an, dass ein stellarer Flare ausbricht, wenn die in der Atmosphäre eines Sterns aufgebaute magnetische Energie plötzlich freigesetzt wird, weil die Magnetfeldlinien „zerreißen“ und sich „wieder verbinden“. Dies gilt vermutlich für jede Art von stellarem Flare. Trotz der Tatsache, dass es Leistungsunterschiede zwischen Sonneneruptionen von der Sonne und stellaren Eruptionen von anderen Sternen im Kosmos gibt, konnte das Studienteam den Mechanismus, der Eruptionen von unserem Stern auslöst, nutzen, um weit entfernte, energiereichere Eruptionen zu bewerten.

Die Forscher konnten auch die große Menge an Daten nutzen, die seit der ersten Beschreibung von Sonneneruptionen in der wissenschaftlichen Literatur durch die Astronomen Richard Carrington und Richard Hodgson gesammelt wurden, die unabhängig voneinander dieselbe Sonneneruption am 1. September 1859 beobachteten.

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„Seitdem wurden Sonneneruptionen mit intensiver Helligkeit beobachtet, die Sekunden bis Stunden andauern und bei verschiedenen Wellenlängen auftreten, von Radiowellen und sichtbarem Licht bis hin zu Ultraviolett- und Röntgenstrahlung“, sagte Alexandre Araújo, Mitglied des Studienteams und Doktorand am Mackenzie Center for Radio Astronomy, in einer Erklärung.

Das Team verfügte auch über Daten über stellare Flares aus Beobachtungen anderer Sterne, die von Observatorien gemacht wurden, die auf der Suche nach Anzeichen von umkreisenden Planeten sind, wie das Kepler Space Telescope und der Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS).

Eine Sonneneruption bricht auf der Sonne aus (Bildnachweis: NASA/STEREO-A/COR2)

Das „übliche Verdächtigen“-Modell für diese heftigen Superflares sieht die Strahlung eines Ausbruchs als „Schwarzkörperemission“ an, d. h. als elektromagnetische Strahlung, die sich im Gleichgewicht mit ihrer Umgebung befindet. Solche Emissionen decken auch ein breites Spektrum von Wellenlängen ab und sind von der Temperatur des emittierenden Körpers abhängig. Im Falle der untersuchten Superflares hätte die „Schwarzkörperemission“ eine Temperatur von etwa 17.500 Grad Fahrenheit (9.700 Grad Celsius).

Es gibt jedoch noch einen weiteren Verdächtigen, der nicht ausgeschlossen werden kann. Nach diesem alternativen Modell entstehen Superflares dadurch, dass Wasserstoffatomen Elektronen entzogen werden, d. h. dass sie „ionisiert“ werden und sich dann mit diesen Elektronen rekombinieren, um wieder neutrale Wasserstoffatome zu bilden. Dieses Modell wird in der Analyse des Teams als Erklärung für die Superflares favorisiert.

„Angesichts der bekannten Prozesse der Energieübertragung bei Flares argumentieren wir, dass das Modell der Wasserstoffrekombination physikalisch plausibler ist als das Schwarzkörpermodell, um den Ursprung der breitbandigen optischen Emission von Flares zu erklären“, sagte Paulo Simões, Professor an der Mackenzie Presbyterian University, der die neue Studie leitete, in einer Erklärung. „Wir sind zu dem Schluss gekommen, dass die Schätzungen für die Gesamtenergie der Fackeln, die auf dem Wasserstoffrekombinationsmodell basieren, etwa eine Größenordnung niedriger sind als die Werte, die mit dem Schwarzkörperstrahlungsmodell ermittelt wurden, und dass sie besser zu den bekannten Fackelprozessen passen.

Simões fügte hinzu, dass die Beschränkung des ersten und populäreren Schwarzkörpermodells mit dem Energietransport zusammenhängt. In der Photosphäre eines Sterns muss eine bestimmte Menge an Energie vorhanden sein, damit das Plasma in dieser Region so stark aufgeheizt wird, dass es zu der extremen Aufhellung kommt, die mit den Superflares verbunden ist. Keiner der normalerweise für Sonneneruptionen akzeptierten Energietransportmechanismen ist jedoch in der Lage zu erklären, wie diese Art von Energieniveau und -verteilung erreicht werden kann.

„Berechnungen, die erstmals in den 1970er Jahren durchgeführt und später durch Computersimulationen bestätigt wurden, zeigen, dass die meisten der bei Sonneneruptionen beschleunigten Elektronen die Chromosphäre [die äußere Atmosphäre der Sonne] nicht durchqueren und in die Photosphäre eintreten“, so Araújo. „Das Schwarzkörpermodell als Erklärung für das weiße Licht in Sonneneruptionen ist daher nicht mit dem für Sonneneruptionen akzeptierten Hauptenergietransportprozess vereinbar.“

Das Team argumentiert, dass das Modell der Wasserstoffrekombinationsstrahlung aus physikalischer Sicht konsistenter ist. Das Team räumte ein, dass der unglückliche Aspekt bei all dem ist, dass das Modell der Wasserstoffrekombination und seine Verbindung zu Superflares noch nicht durch Beobachtungen bestätigt werden kann.

Dennoch kommen die Forscher zu dem Schluss, dass ihre Forschung zumindest ein starkes Argument für das Wasserstoff-Rekonnektionsmodell liefert, das ihrer Meinung nach in den meisten Superflare-Studien bisher vernachlässigt worden ist.

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden Anfang des Jahres in der Zeitschrift The Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.