Die Entdeckung bislang unsichtbarer Plasmawirbel auf der Sonnenoberfläche verspricht die Lösung zweier grundlegender Rätsel der Sonnenphysik: wie sich die millionengradheiße Sonnenkorona aufheizt und wodurch die magnetische Energie unseres Zentralgestirns aufgeladen wird. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des Göttinger Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung hat mithilfe des Inouye Solar Telescope auf Hawaii und moderner Simulationen winzige Wirbelstrukturen von nur 20 Kilometern Durchmesser nachgewiesen. Die im Fachjournal „Nature“ veröffentlichten Beobachtungen zeigen erstmals, dass sogenannte Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten das brodelnde Plasmameer der Sonne in Bewegung halten.
- Das Inouye Solar Telescope auf Hawaii hat Plasmawirbel von nur 20 Kilometern Größe auf der Sonnenoberfläche aufgelöst.
- Die Aufnahmen belegen erstmals Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten an den Rändern kochender Plasmablasen.
- Das Phänomen erklärt das ständige Verdrehen solarer Magnetfeldlinien und liefert Hinweise zur extremen Aufheizung der Korona.
Bilder des Inouye-Teleskops machen winzige Plasmastrukturen sichtbar
Um die mikroskopischen Vorgänge auf der Sonne zu entschlüsseln, nutzten die Wissenschaftler das NSF Daniel K. Inouye Solar Telescope auf dem Gipfel des Haleakalā auf der Hawaii-Insel Maui. Mit seinem vier Meter großen Hauptspiegel gilt es als das leistungsfähigste Sonnenteleskop der Welt. Kombiniert mit einer Breitband-Kamera des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) gelang den Forschenden eine Aufnahme in bisher unerreichter Schärfe.
Das Auflösen von 20 Kilometer kleinen Strukturen entspricht dem Versuch, eine 1-Euro-Münze aus einer Entfernung von 180 Kilometern deutlich zu erkennen.
Auf der sichtbaren Sonnenoberfläche steigt im Inneren durch Kernfusion erzeugte Energie in Form von heißem Gas auf, kühlt ab und sinkt wieder in die Tiefe. Dieses Brodeln erzeugt ein Muster aus dicht aneinanderliegenden Plasmablasen, den sogenannten Granulen, die einen Durchmesser von 500 bis 2000 Kilometern besitzen. An den Rändern dieser Strukturen entdeckte das Team nun fransige Wirbel und Streifen, die brechenden Ozeanwellen ähneln.
Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten treiben das solare Plasmameer an
Die Forschenden deuten die Bewegung der Wirbel als Folge von Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten. Dieses Strömungsphänomen tritt auf, wenn zwei benachbarte Flüssigkeiten oder Gase mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aneinander vorbeiströmen. An den Grenzflächen entstehen Scherungskräfte, die kleine Störungen zu Wellen oder Wirbeln anwachsen lassen. In der Natur zeigt sich dieser Effekt etwa auf Meeresoberflächen, bei Wolkenformationen oder in den Atmosphären der Gasplaneten Jupiter und Saturn.
Da sich das heiße Gas auf der Sonnenoberfläche wie eine Flüssigkeit verhält, erzeugen unterschiedlich schnelle Plasmaschichten an den Rändern der Granulen exakt dieselben Bedingungen. Aufwendige Computersimulationen unter Einbeziehung des solaren Magnetfelds bestätigten die Beobachtungen exakt. Laut MPS-Wissenschaftler Michiel van Noort, der die Datenreduktion und Bildrekonstruktion durchführte, stießen Teleskop und Simulationen hierbei an die Grenzen des derzeit Machbaren.
Verdrehte Magnetfeldlinien als Schlüssel zum Korona-Rätsel
Die Entdeckung liefert entscheidende Bausteine für ein langjähriges astrophysikalisches Rätsel. Während die Oberfläche der Sonne eine Temperatur von rund 6000 Grad Celsius aufweist, ist die dünne äußere Atmosphäre, die Korona, mehrere Millionen Grad heiß. Wie diese extremen Temperaturen entstehen, war bislang ungeklärt.
Die kontinuierlich auftretenden Mini-Wirbel könnten der ständige Motor sein, der die magnetischen Feldlinien wie Zöpfe verdreht und so enorme Spannung aufbaut.
Ähnlich wie bei einer gespannten Metallfeder baut sich in den verdrehten Magnetfeldlinien Energie auf, die sich bei sogenannten magnetischen Rekombinationen schlagartig entladen kann. Zudem mischen die Wirbel magnetisiertes und unmagnetisiertes Plasma effizient durch. Dies könnte erklären, wie sich das Magnetfeld im raschen 11-Jahres-Zyklus der Sonne derart schnell in die Atmosphäre ausbreiten kann.
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