Magnetische Grundbausteine der Sonne enthüllt

  • 08. November 2010

Die ersten Ergebnisse der Ballonmission SUNRISE, die im Jahr 2009 die Sonne beobachtete, liegen jetzt vor. 

Die kleinsten Bausteine des Sonnenmagnetfeldes haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) erstmals sichtbar gemacht und charakterisiert. Die Magnetfeldstärke in diesen winzigen, nur einige hundert Kilometer großen Bereichen übertrifft die Stärke des Erdmagnetfeldes etwa um das 3000-fache. Forscher des MPS, des Kiepenheuer-Instituts für Sonnenphysik und weiterer Partnereinrichtungen werteten Messungen aus, die ihnen im vergangenen Jahr mit Hilfe des Sonnenobservatoriums Sunrise gelungen waren. Kein anderes Sonnenteleskop konnte die genauen Eigenschaften dieser Strukturen bisher untersuchen. Diese und weitere erste Ergebnisse der Mission Sunrise würdigt die Fachzeitschrift The Astrophysical Journal jetzt in einer Sonderausgabe mit zwölf Beiträgen des Sunrise-Teams.

 

 

Abb. 1: Die Aufnahme des Instruments IMaX zeigt die Granulation der Photosphäre. In den hellen Bereichen strömt heißes Plasma nach oben; in den dunklen sinkt das abgekühlte Plasma wieder herab. Dazwischen blitzen winzige, helle Punkte auf. Die einzelnen Granulen haben eine Größe von einigen tausend Kilometern, die hellen Punkte von etwa 100 Kilometern. (Bild: MPS) 

Die Sonne ist ein turbulenter Ort: Heißes Plasma ist ununterbrochen in Bewegung, steigt aus dem heißen Innern des Sterns auf, kühlt ab und sinkt wieder hinab. An der sichtbaren Oberfläche der Sonne, in der so genannten Photosphäre, machen sich diese brodelnden Ströme als einige tausend Kilometer große, netzartige Strukturen bemerkbar: Unter den hellen, heißeren Bereichen steigt das Plasma auf; an den dunklen, kühleren Rändern sinkt es hinunter (vgl. Abbildung 1). Wissenschaftler bezeichnen diese Muster als Granulation.

Die Plasmaströme der Sonne sind untrennbar mit ihren magnetischen Eigenschaften verknüpft. Denn die Bewegungsenergie der Ströme wandelt sich in magnetische Energie um. Die Magnetfelder, die so entstehen, zeigen sich beispielsweise in den dunklen Sonnenflecken, von denen einige so groß sind wie die Erde. Doch das Magnetfeld der Sonne kennt auch deutlich kleinere Strukturen. Hinweise auf diese Strukturen liefern winzige, helle Punkte zwischen den Granulen. Dort drängen die starken Magnetfelder das brodelnde Plasma nach außen, so dass ein tieferer Blick in das Sonneninnere möglich ist. Wegen der höheren Temperaturen im Innern erscheinen die so genannten "bright points" deshalb heller.

Obwohl die hellen Punkte in den Aufnahmen einiger großer Sonnenteleskope sichtbar sind, ließen sich bisher ihre physikalischen Eigenschaften wie etwa die Magnetfeldstärke nicht genau bestimmen. "Ohne diese Kenntnisse fehlte eine der wichtigsten Voraussetzungen für ein grundlegendes Verständnis der magnetischen Vorgänge auf der Sonne", sagt Sami K. Solanki, Direktor des MPS. Es war, als wolle man einen Ameisenhaufen untersuchen, ohne die einzelnen Ameisen erkennen und beschreiben zu können.

Erst das Sonnenobservatorium Sunrise, das als internationales Projekt unter Leitung des MPS gebaut und betrieben wurde, vereinigte die entscheidenden Eigenschaften: eine hohe räumliche Auflösung von etwa 100 Kilometern und hochpräzise Instrumente, die unter anderem die Stärke der Magnetfelder messen können. Bei seinem Flug im Juni 2009 trug ein mit Helium gefüllter Ballon das Observatorium bis auf eine Höhe von 37 Kilometern in die Stratosphäre. Dort hatte das Teleskop den Großteil der Erdatmosphäre - und somit die störenden Luftverwirbelungen ¿ unter sich gelassen. Mit einem Spiegeldurchmesser von einem Meter ist Sunrise das größte Sonnenteleskop, das jemals den Erdboden verlassen hat. Anders als erdgebundene Teleskope konnte das Observatorium zudem die ultraviolette Strahlung der Sonne untersuchen, die in der Erdatmosphäre absorbiert und somit aus dem Sonnenlicht herausgefiltert wird.

"Die Instrumente von Sunrise konnten Strukturen von nur hundert Kilometern Größe auflösen", erklärt Solanki. Das ist als würde man eine Ein-Euro-Münze aus 30 Kilometern Entfernung untersuchen. Durch diese hohe Auflösung war es erstmals möglich, die hellen Punkte in der Photosphäre zu charakterisieren. Mit bis zu 1,8 Kilogauss ist das Magnetfeld in diesen Bereichen bis zu 3000-mal so stark wie das der Erde. Die Temperatur liegt dort etwa 1000 Grad höher als in der nichtmagnetischen Umgebung. "Theoretische Berechnungen legen nahe, dass diese heißen, magnetischen Strukturen einzelnen magnetischen Flussröhren entsprechen", so Andreas Lagg vom MPS. Diese Flussröhren sind die Basiseinheiten des Sonnenmagnetfeldes. In der Photosphäre verlaufen ihre Feldlinien senkrecht zur Sonnenoberfläche, wie in einer Röhre.

 

Abb. 2: Die hellen Punkte in der Photosphäre der Sonne deuten auf starke Magnetfelder hin. Oben: Diese Aufnahme des Instruments IMaX zeigt den Intensitätsverlauf solcher Punkte und ihrer Umgebung. Unten: Der dazugehörige Verlauf der Magnetfeldstärke. Zum Größenvergleich ist in beiden Bildern die Größe Deutschlands eingezeichnet. (Bild: MPS)

Zudem konnten die Wissenschaftler erstmals die Helligkeit der hellen Punkte auch im Ultravioletten (UV) bestimmen. Diese ist etwa fünf Mal stärker als in der Umgebung. "Nur so ist es möglich, den Beitrag der hellen Flecken zu den Helligkeitsschwankungen der Sonne abzuschätzen", so Tino Riethmüller vom MPS. Da die Erdatmosphäre die UV-Strahlung fast vollständig absorbiert, spielt dieser Teil des Sonnenlichts eine wichtige Rolle bei der Erwärmung der oberen Luftschichten. Dieses Wissen ist deshalb entscheidend für die Klimaforschung. Denn nur so kann es gelingen, den Anteil der globalen Erwärmung, der vom Menschen verursacht wird, vom Einfluss der Sonne zu trennen. Die Helligkeitsschwankungen der Photosphäre, die Sunrise wie keine Mission zuvor sichtbar macht, spiegeln zudem detailliert die Temperaturverläufe an der Sonnenoberfläche wieder.

Das Sonnenobservatorium Sunrise startete im Juni 2009 unter der Leitung des MPS von der Weltraumbasis Esrange im nordschwedischen Kiruna zu seinem 130-stündigen Flug um den Nordpol. Neben einem Sonnenteleskop und ausgeklügelten Mechanismen der Bildstabilisierung trug das Observatorium zwei wissenschaftliche Instrumente an Bord, welche die Magnetfelder der Sonne untersuchen: SuFI (Sunrise Filter Imager) wurde unter Leitung des MPS entwickelt und gebaut; IMaX (Imaging Magnetograph eXperiment) entstand in einem spanischen Konsortium unter der Leitung des Instituto de Astrofisica de Canarias. Zu den weiteren Kooperationspartnern der Mission zählen das Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik in Freiburg und das High Altitude Observatory in den USA.

MPG / AL


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