Schärfste Aufnahme bisherZuvor unbekannte Strukturen auf der Sonne entdeckt
Das leistungsfähigste Teleskop der Welt liefert das bisher genauste Bild der Sonnenoberfläche. Erstmals werden dort bandartige Strukturen sichtbar. Das Phänomen könnte Antworten auf bisher ungeklärte Fragen der Wissenschaft liefern.
Auf der Oberfläche der Sonne brodelt es kräftig: heißes Gas steigt aus dem Sonneninneren auf, kühles sinkt wieder hinab. Das Inouye Solar Telescope auf dem Gipfel des Haleakalā auf der Hawaii-Insel Maui hat jetzt die bislang detailreichsten Aufnahmen von der Sonnenoberfläche geliefert.
Die Aufnahmen sowie hochaufwändige Computersimulationen zeigen erstmals band- und wirbelartige Strukturen, die durch ein flüssigkeitsdynamisches Phänomen entstehen. Diese sogenannte Kelvin-Helmholtz-Instabilität könnte unter anderem für die extreme Aufheizung der Sonnenkorona verantwortlich sein, schreibt ein Forschungsteam aus den USA, Deutschland und Südkorea im Fachblatt "Nature".
"Die Kelvin-Helmholtz-Instabilität ist wahrscheinlich ein Mechanismus, der zur Aufheizung der äußeren Atmosphäre der Sonne beiträgt", erklärt Thomas Rimmele vom National Solar Observatory der USA. "Damit ist sie Teil der Lösung des langjährigen Rätsels, warum Sterne eine Million Grad Kelvin heiße Korona haben."
"Komplexer als je zuvor beobachtet"
Unsere Sonne erzeugt ihre Energie durch die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium - aber nur tief in ihrem Innern bei einer Temperatur von 15 Millionen Grad. Um durch das dichte Gas bis an die nur noch 6000 Grad heiße Oberfläche zu gelangen, benötigt die Energie mehrere Hunderttausend Jahre. Im äußeren Bereich geschieht dieser Energietransport ähnlich wie in einem Kochtopf: Heißes Gas steigt an die Oberfläche, kühlt dort ab und sinkt wieder hinab. Dieses Brodeln ist an der Oberfläche der Sonne in Form von etwa 1000 Kilometer großen Granulen sichtbar.
Die Bilder des Inouye-Teleskops, das mit seinem vier Meter großen Hauptspiegel das leistungsfähigste Sonnenteleskop der Welt ist, zeigen aber noch viel mehr Einzelheiten mit Größen bis hinab zu 20 Kilometern. Und dabei stießen die Forscher jetzt auf neuartige, nie zuvor gesehene Strukturen: extrem dünne Streifen sowie kleine Wirbel.
Serien aufeinanderfolgender Bilder zeigen sogar, wie sich diese Strukturen bewegen. "Die Serienaufnahmen zeigen eine weitaus komplexere und dynamischere Sonnenoberfläche als je zuvor beobachtet", so die Forscher. Die Forschenden nutzten für die Aufnahmen eine Breitband-Kamera des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung in Göttingen.
Rimmele und seine Kollegen deuten die erstmals beobachteten Strukturen als Folge der Kelvin-Helmholtz-Instabilität, die in Flüssigkeiten zur Bildung von wellenartigen Strukturen führt, wenn zwei benachbarte Schichten sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen. Denn das heiße Gas auf der Sonne verhalte sich wie eine Flüssigkeit, so die Wissenschaftler.
"Bedeutender Fortschritt"
Das Team untermauert diesen Befund mithilfe aufwendiger Computersimulationen, bei denen auch das Magnetfeld der Sonne berücksichtigt werden muss. In den Simulationen zeigen sich nicht nur die tatsächlich beobachteten Strukturen, sondern sie besitzen auch die gemessenen Größen. "Die Übereinstimmung in physikalischen Details ist beeindruckend", betont Matthias Rempel vom High Altitude Observatory in den USA.
David Boboltz vom National Solar Observatory hebt die Bedeutung der Entdeckung für die Sonnenforschung hervor: "Der Nachweis der Kelvin-Helmholtz-Instabilität, unterstützt durch die Analyse numerischer Simulationen, ist ein bedeutender Fortschritt in unserem Verständnis der Dynamik des solaren Plasmas." Das Phänomen könnte auch eine Erklärung für die Aufheizung der Sonnenkorona liefern. Denn während die Temperatur der Sonnenoberfläche nur 6000 Grad beträgt, ist das dünne Gas in dieser äußeren Atmosphäre unseres Zentralgestirns mehrere Millionen Grad heiß.
Eine wichtige Rolle für diese Aufheizung spielt dabei das Magnetfeld der Sonne. Das aufsteigende Gas führt zu einer Verwirbelung der magnetischen Feldlinien, sie werden wie Zöpfe geflochten. Dadurch baut sich Spannung auf, die sich schlagartig entladen kann. Aber wie dieser Vorgang genau abläuft, ist bislang unklar. Die kleinen Wirbel der Kelvin-Helmholtz-Instabilität könnten Teil der Antwort sein. Die Wirbel finden sich überall auf der Sonnenoberfläche und könnten daher der ständige Antrieb sein, der die Magnetfeldlinien verdreht und so den Prozess in Gang hält. Mit weiteren Messungen wollen die Forscher nun bestimmen, wie viel Energie durch diese Phänomene freigesetzt werden kann.