Rätsel um Sonnenstürme gelöst

Wie der Magnet-Dynamo der Sonne Stürme entfacht

Markus Brauer
Lesezeit 5 Minuten
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23. Mai 2024
Diese Illustration zeigt den inneren Aufbau der Sonne: Im Kern wird Energie durch Kernfusion erzeugt und zunächst durch Strahlung, dann durch Wärme nach außen transportiert. In der Photosphäre, der sichtbaren Oberfläche der Sonne, beobachten wir Sonnenflecken und das wabenartige Muster der Granulation (die körnige Struktur des Sterns). Bei totalen Sonnenfinsternissen ist die heiße Korona, der äußere Teil der Sonnenatmosphäre, sichtbar.

Diese Illustration zeigt den inneren Aufbau der Sonne: Im Kern wird Energie durch Kernfusion erzeugt und zunächst durch Strahlung, dann durch Wärme nach außen transportiert. In der Photosphäre, der sichtbaren Oberfläche der Sonne, beobachten wir Sonnenflecken und das wabenartige Muster der Granulation (die körnige Struktur des Sterns). Bei totalen Sonnenfinsternissen ist die heiße Korona, der äußere Teil der Sonnenatmosphäre, sichtbar. ©Foto: Imago/Zoonar

Auf der Oberfläche der Sonne brodelt es derzeit wieder ganz gewaltig. Das Zuletzt sind mehrfach starke Eruptionen und Sonnenstürme gemessen worden. Doch wo und wie entstehen die solaren Magnetfelder, die dafür verantwortlich sind? Forscher haben jetzt einen neue Theorie entwickelt.

Die Sonne gehört zur Sternengruppe der Gelben Zwerge und hat einen Durchmesser von rund 1,4 Millionen Kilometern - das 109-fache der Erde. Nach unterschiedlichen Berechnungen von Wissenschaftlern wird unser Stern in 5 bis 7,6 Milliarden Jahren untergehen. Bis dahin ist für den Menschen also noch genug Zeit, um das Gestirn in unserem Sonnensystem ausgiebig zu untersuchen.

Wo und wie entstehen Magnetfelder und Aktivitätszyklen der Sonne?

Eines der großen physikalischen Rätsel unserer Sonne scheint jetzt gelöst worden zu sein. Die jüngsten Sonnenstürmen,den stärksten geomagnetischen Eruptionen seit fastb 20 Jahren, haben erneut eindrucksvoll gezeigt, wie aktiv unser Zentralgestirn ist. Doch wo und wie die Magnetfelder und Aktivitätszyklen der Sonne entstehen, war bisher unklar.

 

Illustration eines Sonnensturms: Ereignisse an der Sonne können die Bedingungen im erdnahen Raum und auf der Erde massiv verändern.
Foto: Nasa

 

„Wir wissen, dass der solare Dynamo wie eine große Uhr mit vielen komplexen, interagierenden Teilen funktioniert“, schreibt ein Forscherteam um Geoffrey Vasil von der University of Edinburgh im Fachmagazin „Nature“. „Aber wir kennen noch nicht alle Teile und wissen nicht, wie sie zusammengehören.“

Was verursacht Sonnenstürme?

Bekannt ist, dass schlagartige Änderungen im Magnetfeld unseres Zentralgestirns Sonnenstürme auslösen. Da die Sonne sich an ihrem Äquator deutlich schneller dreht als an ihren Polen, verdrillt sich ihr Magnetfeld in einem elfjährigen Rhythmus. Es bilden sich eine Art magnetischer Schläuche, die an die Oberfläche durchbrechen können und dort kühle Zonen – die dunklen Sonnenflecken – erzeugen.

Treffen außerhalb der Sonnsolche Magnetfeld-Schläuche aufeinander, kann es zu einer Art Kurzschluss kommen: Die Feldlinien ordnen sich schlagartig neu und setzen dabei große Mengen an Energie frei. Die Folge: ein sogenannter koronaler Massenauswurf. Dabei wird elektrisch geladene Materie aus der heißen Sonnenatmosphäre – der Korona – mit hoher Geschwindigkeit ins Weltall hinausgeschleudert.

Magnet-Dynamo im Inneren der Sonne

Die bisherigen astrophysikalischen Theorien gehen von einem solaren Magnet-Dynamo aus, der tief im Inneren verankert ist. Demzufolge sollen Strömungen in rund 210 000 Kilometer Tiefe die Basis des Sonnenmagnetfelds bilden. „Aber diese globalen Konvektionsmodelle passen oft nicht zu wichtigen Sonnenbeobachtungen und erfordern Bedingungen, die nicht der solaren Realität entsprechen“, erklärt Geoffrey Vasil.

 

Ständig speit die Sonne Strahlung und geladene Teilchen in den Weltraum aus – den sogenannten Sonnenwind. Wenn dieser Strahlenstrom für kurze Zeit und in einem begrenzten Gebiet sich massiv verstärkt, spricht man von einer Sonneneruption.
Foto: Imago/Depositphotos

 

 

Strahlung und Teilchen, die bei einer Sonneneruption entstehen, rasen durchs Weltall und können auch die Erde treffen.
Foto: Imago/Depositphotos

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Um das Rätsel der solaren Magnetfelder zu ergründen, haben die Forscher einen anderen Bereich der Sonne in den Blick genommen: die Strömungen in der oberflächennahen Zone, die fünf bis zehn Prozent der Sonne ausmacht. „Wir haben uns gefragt: Gibt es dort Störungen oder winzige Veränderungen im Plasmafluss, die sich so weit verstärken können, dass sie das solare Magnetfeld erzeugen?“, erläutert Koautor Keaton Burns vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) das Vorgehen.

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Wie Plasmaeruptionen das Magnetfeld der Sonne intensivieren

Bei ihren Analysen stießen die Physiker schließlich auf einen Mechanismus, durch den die oberflächennahen Plasmaströmungen in rund 32 000 Kilometer Tiefe komplexe Magnetfelder erzeugen können.

Dabei verstärken die unterschiedlich schnell aneinander vorbeiströmenden Plasmamassen das Magnetfeld der Sonne und erzeugen noch weitaus komplexere Magnetfeldstrukturen mit ihren Oszillationen (Schwingungen). Dies wiederum prägt das Auftreten und die Häufigkeit der Sonnenflecken.

 

Diese Illustration zeigt, wie Partikel eines Sonnensturms durch das Weltall am Planeten Mars vorbeirasen.
Foto: Imago/piemags

 

 

Eine starke Explosion mit Plasmaauswurf auf der Sonne im stellaren Raum.
Foto: Imago/Chromorange

 

Dieses neue Modell könnte die lange gesuchte Verbindung zwischen dem in der Tiefe der Sonne ruhenden Magnet-Dynamo und den an der Sonnenoberfläche beobachteten Strukturen und Prozessen bilden. Burns: „Wir zeigen damit, dass die isolierten Turbulenzen nahe der Sonnenoberfläche mit der Zeit heranwachsen und dann die Magnetstrukturen bilden können, die wir sehen.“

Neue Einblicke in die Physik des Gestirns

Laut Vasil und seinen Kollegen liefert ihr Modell neue Einblicke in die Physik der Sonne. „Den Ursprung des solaren Magnetfelds zu verstehen ist seit der Zeit von Galileo Galilei eine offene Frage“, betont Koautor Daniel Lecoanet von der Northwestern University in Illinois. „Unsere Arbeit schlägt nun eine neue Hypothese für die Entstehung des solaren Magnetfelds vor, die besser mit den Sonnenbeobachtungen übereinstimmt.“

Diese Erkenntnisse könnten von großem Nutzen sein, um Sonnenstürme künftig besser vorherzusagen als bisher.

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