(Links) Ein Bild der Sonne, die eine helle Sonneneruption aussendet (rechts) die Magnetfelder der Sonne über einem Bild unseres Sterns, aufgenommen vom Solar Dynamics Observatory der NASA (Bildnachweis: NASA/SDO/AIA/LMSAL/Goddard)
Neue Forschungen haben ergeben, dass die Geheimnisse des Magnetfelds der Sonne, das vier Jahrhunderte lang geheimnisvoll blieb, nahe an ihrer Oberfläche liegen könnten.
Das Magnetfeld der Sonne ist verantwortlich für die Entstehung dunkler Flecken, die Sonnenflecken genannt werden, für ausbrechende Sonneneruptionen und sogar für explosive Materieauswürfe, die als koronale Massenauswürfe (CMEs) bezeichnet werden. Doch seit Astronomen begonnen haben, die Magnetfelder der Sonne zu erforschen, ist der Punkt, von dem aus sie entstehen, unbestimmt geblieben. Jetzt ist ein internationales Forscherteam der Lösung dieses 400 Jahre alten Rätsels, das selbst Galileo Galilei vor Rätsel stellte, möglicherweise näher gekommen.
Die Entdeckung bedeutet, dass Sonnenflecken und -eruptionen wahrscheinlich das Produkt eines flachen Magnetfeldes sind und nicht eines Feldes, das seinen Ursprung tiefer in der Sonne hat, wie bisher angenommen worden war. Die Erkenntnisse des Teams könnten Sonnenwissenschaftlern dabei helfen, Sonneneruptionen und geomagnetische Stürme besser vorherzusagen, die eine Gefahr für Satelliten, Kommunikationssysteme und die Energieinfrastruktur der Erde darstellen, und gleichzeitig eine merkwürdige Verbindung zwischen den äußeren Schichten der Sonne und den schwarzen Löchern herstellen.
Mit Hilfe eines NASA-Supercomputers führte das Forschungsteam eine Reihe komplexer Berechnungen durch, aus denen hervorging, dass das Magnetfeld der Sonne etwa 64.000 Kilometer (40.000 Meilen) unter ihrer Oberfläche, der Photosphäre, erzeugt wird. Das mag unglaublich tief erscheinen, aber die Sonne hat einen Radius von rund 697.000 km (433.000 Meilen), was bedeutet, dass die Magnetfelder in den äußeren 10 % des überhitzten Sonnenplasmas erzeugt werden.
„Die Merkmale, die wir sehen, wenn wir die Sonne betrachten, wie die Korona, die viele Menschen während der jüngsten Sonnenfinsternis gesehen haben, Sonnenflecken und Sonneneruptionen, sind alle mit dem Magnetfeld der Sonne verbunden“, sagte Teammitglied Keaton Burns, ein Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT), in einer Erklärung. „Wir zeigen, dass isolierte Störungen in der Nähe der Sonnenoberfläche, weit entfernt von den tieferen Schichten, mit der Zeit wachsen können, um möglicherweise die magnetischen Strukturen zu erzeugen, die wir sehen.“
Sonnenflecken sind kühle und dunkle Flecken auf der Sonnenoberfläche, die nach Ansicht der Wissenschaftler entstehen, wenn sich die Magnetfeldlinien verwirren. Sonnenwissenschaftler haben herausgefunden, dass die Anzahl der Sonnenflecken während der Periode des Sonnenmaximums im 11-jährigen Sonnenzyklus zunimmt. Beobachtungen haben gezeigt, dass Sonnenflecken eher in der Nähe des Äquators der Sonne als an den Polen unseres Sterns zu finden sind.
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Der Solardynamo ist nicht so tief
Die Sonne erzeugt ihr Magnetfeld durch einen physikalischen Prozess, den Wissenschaftler als Sonnendynamo bezeichnen. Frühere Modelle dieses Dynamos gehen davon aus, dass er in einer aufgewühlten und turbulenten Region der Sonne, der sogenannten Konvektionszone, in Gang gesetzt wird. Hier steigt heißes Plasma aus dem Kern der Sonne auf, wo der Großteil der Energie erzeugt wird, und transportiert Wärme und Energie zur Sonnenoberfläche, der Photosphäre.
Nach der Energieabgabe kühlt sich das Plasma ab und fällt durch die Konvektionszone, die etwa 200.000 km (124.000 Meilen) tief ist und etwa 30 % des Sonnenvolumens ausmacht, an der nächsten „Ladung“ aufsteigenden erhitzten Plasmas vorbei zurück.
„Eine der grundlegenden Ideen, wie man einen Dynamo in Gang setzt, ist, dass man eine Region braucht, in der sich viel Plasma an anderem Plasma vorbeibewegt, und dass diese Scherbewegung kinetische Energie in magnetische Energie umwandelt“, erklärt Burns. „Die Leute dachten, dass das Magnetfeld der Sonne durch die Bewegungen ganz unten in der Konvektionszone erzeugt wird.“
Ein Diagramm, das die Schichten der Sonne zeigt, einschließlich der konvektiven Zone, in der man früher den Beginn des Sonnendynamos vermutete. (Bildnachweis: NASA)
Andere Forscherteams haben bereits dreidimensionale Simulationen der Sonne erstellt, um den Plasmastrom in ihren verschiedenen Schichten zu modellieren und so den Ursprung des Magnetfelds zu bestimmen. Das Team argumentiert, dass diese Simulationen den wahren Ausgangspunkt des Sonnendynamos nicht bestimmen konnten, weil sie nicht das wahre Bild der chaotischen und turbulenten Verhältnisse in der Sonne wiedergeben.
Burns und sein Team wählten einen anderen Ansatz. Anstatt den Plasmastrom durch alle Schichten im Inneren der Sonne zu modellieren, konzentrierten sie sich auf die Stabilität des Plasmas an der Sonnenoberfläche. Sie wollten herausfinden, ob Veränderungen in dieser Oberflächenregion ausreichen würden, um den Sonnendynamo in Gang zu setzen.
Wie die Magnetfelder der Sonne mit dem Strom schwimmen
Zu Beginn nutzten Burns und seine Kollegen ein Verfahren namens „Helioseismologie“, bei dem eingefangene Schallwellen gemessen werden, während sie durch die Sonne schwappen und an der Sonnenoberfläche Schwingungen, so genannte „Sternenbeben“, verursachen, um das Innere der Sonne zu bestimmen. Dadurch konnten sie die Struktur und den Fluss des Plasmas direkt unter der Sonnenoberfläche bestimmen.
„Wenn man ein Video von einer Trommel nimmt und beobachtet, wie sie in Zeitlupe schwingt, kann man aus den Schwingungsmoden die Form und Steifigkeit des Trommelfells berechnen“, so Burns. „In ähnlicher Weise können wir die Schwingungen, die wir auf der Sonnenoberfläche sehen, nutzen, um auf die durchschnittliche Struktur im Inneren zu schließen. Diese durchschnittlichen Ströme sehen aus wie eine Zwiebel, mit verschiedenen Plasmaschichten, die aneinander vorbei rotieren.“
Das Team wandte sich an das Dedalus-Projekt, ein von Burns entwickeltes System, das Flüssigkeitsströmungen mit hoher Präzision simulieren kann, um diesen Fluss des Sonnenplasmas zu untersuchen und dann zu sehen, ob winzige Veränderungen oder „Störungen“ in die regelmäßige Struktur eingebracht werden könnten, die wachsen und den Sonnendynamo verursachen könnten.
Ihr Algorithmus entdeckte neue Muster im Plasmastrom, die wachsen und ein Bild der tatsächlichen Sonnenaktivität erzeugen können. Diese Muster stimmen mit den Positionen der Sonnenflecken überein, die Astronomen seit 1612 und den Beobachtungen von Galileo gesehen haben.
Sonnenflecken auf der Sonnenoberfläche, aufgenommen im Juli 2009 vom Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) der NASA. (Bildnachweis: NASA)
Sonnenflecken sind kühle und dunkle Flecken auf der Sonnenoberfläche, von denen Wissenschaftler annehmen, dass sie entstehen, wenn sich die Magnetfeldlinien verwirren. Sonnenwissenschaftler haben herausgefunden, dass die Anzahl der Sonnenflecken während der Periode des Sonnenmaximums im 11-jährigen Sonnenzyklus zunimmt. Beobachtungen haben gezeigt, dass Sonnenflecken eher in der Nähe des Äquators der Sonne als an den Polen unseres Sterns zu finden sind.
Die Simulationen des Dedalus-Projekts ergaben, dass Veränderungen der Plasmaströme in den obersten 5 bis 10 % der Sonne ausreichen, um magnetische Strukturen zu erzeugen, die die beobachtete Sonnenfleckenaktivität erklären können. Als sie tiefere Regionen unseres Sterns als Quelle der Magnetfelder modellierten, führte dies dazu, dass sich die Sonnenflecken an den Polen der Sonne und nicht am Äquator sammelten, was das Gegenteil von dem ist, was die Astronomen tatsächlich sehen.
Bei einer genaueren Betrachtung der Plasmaströme auf der Sonnenoberfläche fanden Burns und seine Kollegen auch eine überraschende Ähnlichkeit mit der unmittelbaren Umgebung von Schwarzen Löchern.
Eine seltsame Verbindung zwischen der Sonne und fütternden schwarzen Löchern
Wenn sich Sterne zu nahe an Schwarze Löcher heranwagen, können sie durch massive Gravitationskräfte zerstört werden, die sie horizontal zerquetschen und vertikal zusammendrücken, wodurch sie in einem Ereignis, das als Gezeitenstörung (Tidal Disruption Event, TDE) bezeichnet wird, „spaghettisiert“ werden.
Wenn ein Stern ein Schwarzes Loch in einem Doppelsternsystem umkreist und entweder zu nahe dran ist oder sich seine äußeren Schichten „aufgebläht“ haben, kann der Gravitationseinfluss des Schwarzen Lochs stellares Material abtragen.
Eine Illustration zeigt ein Schwarzes Loch und seine Akkretionsscheibe aus Plasma. (Bildnachweis: Daniel Rocal Photography / Getty Images)
Sowohl in den Fällen von stellarem Kannibalismus als auch in weniger extremen Situationen, in denen sich Schwarze Löcher in Regionen mit Gas und Staub befinden, hat dieses überhitzte Plasma einen Drehimpuls (oder Spin), und das bedeutet, dass es nicht einfach in das Schwarze Loch fallen kann.
Stattdessen bildet dieses Plasma eine abgeflachte Wolke um das Schwarze Loch, die es allmählich speist und aufgrund der Schwerkraft des Schwarzen Lochs immensen Reibungskräften ausgesetzt ist, die es erhitzen und zum Glühen bringen. Diese „Platte“ aus Plasma wird als Akkretionsscheibe bezeichnet. Akkretionsscheiben sind turbulent und speisen Schwarze Löcher aufgrund der so genannten „magnetorotationalen Instabilität“ in ihrem Plasmastrom. Diese Turbulenz entsteht, wenn sich magnetisiertes Material, das sich näher am Rand einer Akkretionsscheibe befindet, langsamer bewegt als Material, das sich näher am Zentrum befindet.
Burns und sein Team gehen davon aus, dass ein ähnliches Phänomen im Magnetfeld der Sonne auftritt, und dass diese magnetorotationale Instabilität in den äußersten Schichten der Sonne der erste Schritt zur Erzeugung des Magnetfelds der Sonne ist.
„Ich denke, dieses Ergebnis könnte umstritten sein“, fügte Burns hinzu. „Der größte Teil der Forschergemeinschaft hat sich darauf konzentriert, Dynamoaktivitäten tief in der Sonne zu finden. Jetzt zeigen wir, dass es einen anderen Mechanismus gibt, der besser zu den Beobachtungen zu passen scheint.“
Das Team wird nun seine Untersuchungen fortsetzen, indem es die Magnetfeldmuster an der Oberfläche untersucht und versucht festzustellen, ob sie in ihren Simulationen einzelne Sonnenflecken erzeugen können und wie diese mit dem 11-jährigen Gesamtzyklus der Sonne zusammenhängen.
„Wir wissen, dass der Dynamo wie eine riesige Uhr mit vielen komplexen, interagierenden Teilen funktioniert“, sagte Geoffrey Vasil, Teammitglied und Forscher an der Universität von Edinburgh. „Aber wir kennen viele der Teile nicht und wissen nicht, wie sie zusammenpassen. Diese neue Vorstellung davon, wie der Sonnendynamo in Gang kommt, ist wichtig, um ihn zu verstehen und vorherzusagen.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Mittwoch (22. Mai) in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
