Am Rand der Sonne schießen ständig Hunderttausende bis Millionen dünner Plasmastrahlen in die Höhe, die sich in Teleskopaufnahmen scheinbar drehen, teilen und wieder vereinen. Eine dreidimensionale Computersimulation legt nun nahe, dass viele dieser Jets gar keine einzelnen Röhren sind, sondern Falten riesiger, gewellter Plasmavorhänge. Die scheinbare Drehung entsteht demnach zum großen Teil aus dem Blickwinkel. Zugleich zeigt das Modell echte rotierende Plasmasäulen, die bis in die Korona reichen und dort Energie abliefern könnten. Beobachtet wurden diese Strukturen auf der Sonne allerdings noch nicht direkt.
Wer die Sonne mit einem Spezialteleskop am Rand betrachtet, sieht einen Saum aus unzähligen feinen, leuchtenden Fäden. Diese Jets heißen Spikulen. Sie bestehen aus heißem, elektrisch geladenem Gas, dem Plasma, und steigen aus der Chromosphäre auf, einer dünnen Schicht oberhalb der sichtbaren Sonnenoberfläche. Sie werden typischerweise 6.000 bis 8.000 Kilometer lang, schießen immer wieder gegen die Schwerkraft der Sonne nach oben, und der größte Teil ihres Materials fällt anschließend wieder zurück. Zu jedem Zeitpunkt gibt es nach Schätzungen Hunderttausende bis Millionen davon.
Seit Jahren rätseln Sonnenphysiker über eine Eigenschaft der Spikulen, die in hochaufgelösten Aufnahmen auffällt. Neben ihrem Auf und Ab und seitlichen Schwingungen scheinen viele von ihnen schnell um ihre eigene Achse zu rotieren, wie winzige Wirbelstürme. Als Ursachen wurden bislang verdrillte magnetische Wellen, kleine Ausbrüche magnetischer Strukturen und neu aufsteigende Magnetfelder diskutiert. Ein internationales Team um den Sonnenphysiker Sahel Dey von der University of Newcastle in Australien, Piyali Chatterjee vom Indian Institute of Astrophysics in Bangalore und Robertus Erdélyi von der University of Sheffield hat nun eine andere Erklärung vorgelegt. Die Arbeit ist im Fachjournal The Astrophysical Journal erschienen.
Die Forscher bauten ein Stück Sonne im Computer nach. Ihr Modellwürfel ist 6.000 mal 9.000 Kilometer breit und 37.000 Kilometer hoch und reicht von 5.000 Kilometern unter der sichtbaren Oberfläche bis in die untere Korona, die äußerste Schicht der Sonnenatmosphäre. Die Simulation berechnet, wie sich Plasma, Magnetfelder und Strahlung gegenseitig beeinflussen, ein Verfahren, das Fachleute als strahlungsgekoppelte Magnetohydrodynamik bezeichnen. Angetrieben wird das System von Schwingungen an der Oberfläche mit einer Periode von etwa fünf Minuten, wie sie auch auf der echten Sonne vorkommen. Diese Schwingungen laufen nach oben, steilen sich in der dünner werdenden Atmosphäre zu Stoßwellen auf und schleudern dabei Plasma in die Höhe. So entstehen im Modell ganz von selbst Gebilde, die echten Spikulen gleichen. Gerechnet wurde unter anderem auf einem Hochleistungsrechner in Großbritannien.
Um ihre Ergebnisse mit echten Beobachtungen vergleichen zu können, berechneten die Forscher zusätzlich, wie die simulierten Strukturen in einem Teleskop aussehen würden. Ein Teleskop sieht die Sonnenatmosphäre nämlich nicht dreidimensional, sondern summiert alles Licht entlang der Sichtlinie zu einem flachen Bild auf. Diese künstlichen Aufnahmen verglich das Team mit Beobachtungen des japanischen Sonnensatelliten Hinode und des NASA-Satelliten IRIS, die den Sonnenrand mit hoher Bildfrequenz aufgenommen hatten.
Das Ergebnis überraschte. In der Simulation bildeten sich keine einzelnen, röhrenförmigen Strahlen. Stattdessen ordnete sich das dichte Plasma zu gewellten, mehrfach gefalteten Schichten, die an einen Vorhang mit tiefen Falten erinnern. Erst wenn man diese Vorhänge von der Seite betrachtet und ihr Licht aufsummiert, erscheinen ihre Falten als einzelne helle Spikulen. Weil sich die Schichten ständig bewegen, verschieben und überlagern, scheinen die Strahlen auseinanderzulaufen, sich zu verflechten oder sich zu drehen, ohne dass ein einzelner Jet tatsächlich um seine Achse rotieren muss. „Diese Arbeit zeigt, dass Plasmajets eine gefaltete, dreidimensionale vorhangartige Gestalt haben und die beobachtete Drehbewegung das Ergebnis einer zweidimensionalen Projektion ist“, heißt es in der Mitteilung der University of Sheffield.
Die künstlichen Spikulen stimmen in wichtigen Eigenschaften mit echten überein. Sie existieren etwa fünf bis zehn Minuten, steigen scheinbar mit 20 bis 70 Kilometern pro Sekunde auf, erreichen Höhen von 6.000 bis 16.000 Kilometern und sind 200 bis 1.500 Kilometer breit. In den Aufnahmen von Hinode und IRIS fand das Team ähnliche Muster aus sich kreuzenden und scheinbar drehenden Strahlen. Auf der echten Sonne lagen die Abstände zwischen solchen Kreuzungen allerdings bei einer bis vier Minuten und damit etwas länger als in der Simulation, wo sie eine halbe bis zwei Minuten betrugen. Die Drehbewegungen halten auf der Sonne also offenbar länger an.
Ganz ohne echte Drehung kommt die Sonne in dem Modell aber nicht aus. Die Simulation zeigt zusätzlich Hunderte senkrecht stehender, rotierender Plasmasäulen, die sich mit den Spikulen bilden und deren Dynamik an Wirbelstürme auf der Erde erinnert. Die Forscher nennen sie koronale Wirbelleitungen, auf Englisch Coronal Swirling Conduits oder kurz CoSCos. Sie sind bis zu einigen hundert Kilometern breit, drehen sich mit zwei bis 20 Kilometern pro Sekunde, bestehen jeweils 20 Sekunden bis zwei Minuten und reichen oft bis in die Korona hinauf. In manchen Fällen speisen die Spikulen diese Wirbel direkt.
Das Team fand zwei Arten solcher Wirbel. Die einen werden von der Spannung verdrillter Magnetfeldlinien angetrieben, ähnlich wie ein gespanntes Gummiband, das zurückschnellt. Die anderen entstehen direkt an den Flanken der Plasmavorhänge. Dort ändern sich Dichte und Druck auf kurzer Strecke sehr stark, und weil diese Unterschiede nicht genau in dieselbe Richtung zeigen, gerät das Plasma in Drehung. Sonnenforscher haben in den vergangenen Jahren bereits viele kleine Wirbel in der unteren Sonnenatmosphäre entdeckt, etwa nur 20 Kilometer kleine Wirbel, die die gesamte Sonne bedecken. Neu an der aktuellen Arbeit ist die Verbindung zwischen solchen Wirbeln und den Spikulen. „Solche Drehbewegungen gibt es überall im Universum, vom abfließenden Wasser im heimischen Wasserhahn mit Größen von Zentimetern über Tornados auf der Erde und auf der Sonne und Sonnenjets bis hin zu Spiralgalaxien mit Ausdehnungen von bis zu 520.000 Lichtjahren“, sagt Erdélyi.
Für die Sonnenforschung ist das mehr als eine Frage der Optik. Eines ihrer größten Rätsel ist, warum die Korona Temperaturen von mehr als einer Million Grad erreicht, während die sichtbare Oberfläche darunter nur rund 5.500 Grad heiß ist. Irgendein Mechanismus muss Energie aus den tieferen Schichten nach oben transportieren. Spikulen und die mit ihnen verbundenen Wellen gelten als wichtige Kandidaten, denn sie tragen Masse und Energie nach oben und liefern womöglich auch Material für den Sonnenwind. Wie solche Prozesse die äußere Sonnenatmosphäre formen, untersuchen Forscher auch mit Raumsonden, die der Sonne sehr nahe kommen, etwa beim Ursprung rätselhafter Magnetfeldknicke.
Nach dem Modell der Forscher könnten die Wirbelsäulen eine solche Energiebrücke bilden. „Diese von den Jets erzeugten CoSCos entnehmen in unserem Modell den thermischen und magnetischen Energiereservoiren der Jets Energie und transportieren sie in die Sonnenkorona“, sagt Chatterjee. Erdélyi sieht die Ergebnisse als wichtigen Schritt, um zu verstehen, wie die Sonne und viele andere Sterne ihre obere Atmosphäre mit Energie und Masse versorgen. Wie viel Energie tatsächlich durch die Wirbel strömt und ob das für die Aufheizung der Korona ausreicht, hat das Team allerdings nicht berechnet. Die Amerikanische Astronomische Gesellschaft hob die Arbeit als eines der interessanten neuen Ergebnisse in ihren Fachjournalen hervor.
Die Studie beruht auf einer Simulation, und ihre Ergebnisse hängen von den gewählten Bedingungen im Modell ab, etwa von der Stärke des Magnetfelds und vom Antrieb an der Oberfläche. Dass die künstlichen Spikulen echten ähneln, macht den Mechanismus plausibel, beweist aber nicht, dass die Sonne tatsächlich so funktioniert. Die Aufnahmen von Hinode und IRIS bestätigen nur die Ähnlichkeit der Bewegungsmuster, nicht die dreidimensionale Form der Vorhänge. „Die tatsächliche Entstehung der Spikulen und der zugehörigen rotierenden Plasmavorhänge lässt sich derzeit nur sehr schwer direkt beobachten, weil dazu Teleskope mit extrem hoher Auflösung und Satellitenbeobachtungen aus mehreren Blickrichtungen nötig sind“, sagt Dey.
Für einen echten Test müssten Teleskope dieselbe Region am Sonnenrand gleichzeitig aus verschiedenen Richtungen beobachten. Zudem bräuchte es präzise Messungen des Magnetfelds und der Geschwindigkeiten in der Korona, die bislang kaum möglich sind. Große Sonnenteleskope am Boden liefern inzwischen immer schärfere Bilder, wie etwa das schärfste Bild der Sonne mit bislang unbekannten Wirbeln zeigt. Erdélyi und seine Kollegen wollen als Nächstes untersuchen, ob die Wirbelsäulen neben Energie auch Masse zwischen den Schichten der Sonnenatmosphäre transportieren.
The Astrophysical Journal, Solar Spicule Rotation Driven by Plasma Curtain–Vortex Interactions; doi:10.3847/1538-4357/ae8999
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