Das größte Sonnenteleskop der Welt hat die bislang schärfsten Aufnahmen der Sonnenoberfläche in sichtbarem Licht geliefert. Auf den Bildern mit einer Auflösung von rund 19 Kilometern entdeckten Forscher winzige Plasmawirbel, die seit über 150 Jahren theoretisch vorhergesagt, auf der Sonne aber nie direkt nachgewiesen worden waren. Die in Nature veröffentlichte Studie zeigt, dass diese Strukturen die Sonnenoberfläche nahezu flächendeckend überziehen. Sie könnten der Schlüssel zu einem der hartnäckigsten Rätsel der Sonnenphysik sein.
Die Photosphäre, die sichtbare Sonnenoberfläche, ist ein Ort permanenter Bewegung. Heißes Plasma steigt aus dem Inneren des Sterns auf, gibt Strahlung und Wärme ins All ab, kühlt dabei ab und sinkt an den Rändern wieder hinab. Dieses Wechselspiel formt die sogenannten Granulen, Konvektionszellen mit hellen Zentren und dunkleren, kühleren Rändern, die dem Stern seine typisch körnige Struktur verleihen. Genau an diesen Rändern, wo Plasmaströme mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aneinander vorbeigleiten, vermuteten Theoretiker seit Langem eine besondere Form von Turbulenz. Nachweisen ließ sie sich jedoch nie, denn die erwarteten Strukturen sind mit wenigen Dutzend Kilometern Durchmesser für herkömmliche Teleskope schlicht zu klein, um sie aus rund 150 Millionen Kilometern Entfernung aufzulösen.
Den Durchbruch brachte das Daniel-K.-Inouye-Sonnenteleskop nahe dem Gipfel des Vulkans Haleakala auf der Hawaii-Insel Maui. Mit seinem 4 Meter großen Hauptspiegel sammelt es rund siebenmal mehr Licht als jedes andere Sonnenteleskop und gleicht die Luftunruhe der Erdatmosphäre mit adaptiver Optik in Echtzeit aus. Für die neuen Aufnahmen beobachtete das Team die Sonne bei einer Wellenlänge von 416 Nanometern im violetten Licht, denn kurze Wellenlängen erlauben besonders feine Details. Die kleinsten aufgelösten Strukturen messen etwa 19 Kilometer, womit das Teleskop exakt an seiner physikalischen Leistungsgrenze arbeitete. Ein einzelnes Bild deckt dabei ein Gebiet von ungefähr einem Erdradius ab, zeigt aber Details von der Größe einer Stadt.
Als die Forscher des National Solar Observatory, des High Altitude Observatory und des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung in Göttingen die Daten auswerteten, stießen sie auf federartige Streifen und spiralförmige Wirbel von nur rund 20 Kilometern Durchmesser, die sich überall an den Rändern der magnetischen Strukturen drehten. Der Vergleich mit numerischen Simulationen ließ nur einen Schluss zu. Es handelt sich um die Kelvin-Helmholtz-Instabilität, ein Strömungsphänomen, das entsteht, wenn zwei Medien mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aneinander vorbeiströmen und kleinste Störungen an der Grenzfläche zu wellen- und wirbelartigen Mustern aufschaukeln. Kurios ist, dass die Aufnahmen ursprünglich gar nicht der Entdeckung dienten. Das Team wollte eigentlich nur die Leistungsgrenzen des Teleskops ausloten und bemerkte die Strukturen erst bei der Auswertung der Testbilder.
Beschrieben wurde die Instabilität bereits um das Jahr 1870 von Lord Kelvin und Hermann von Helmholtz. Seither wurde sie in vielen Bereichen der Physik beobachtet, etwa in Meereswellen, in Wolkenformationen der Erdatmosphäre und in den Wolkenbändern von Jupiter und Saturn. Auf der Sonnenoberfläche selbst blieb sie jedoch mehr als eineinhalb Jahrhunderte lang unsichtbar, obwohl Modelle sie dort längst erwarten ließen. Die neuen Daten belegen nun nicht nur ihre Existenz in der Photosphäre, sondern zeigen auch, dass die Wirbel dort kein seltener Ausnahmezustand sind, sondern ein nahezu allgegenwärtiges Merkmal der Oberfläche. Wie fein solche Strömungsprozesse über Wettergeschehen entscheiden können, zeigen auch aktuelle Messungen, nach denen in irdischen Wolken winzige Ballungszonen über den Regen entscheiden.
Die Entdeckung könnte weitreichende Folgen für ein zentrales Problem der Sonnenphysik haben. Die Korona, die äußere Atmosphäre der Sonne, ist mit über einer Million Grad Celsius um ein Vielfaches heißer als die nur rund 5.500 Grad Celsius warme Oberfläche darunter, und bis heute ist umstritten, welcher Mechanismus diese Energie nach außen transportiert. Die neu entdeckten Wirbel könnten genau diese Rolle spielen, indem sie Plasma durchmischen, Energie in die oberen Schichten tragen und die Entwicklung der Magnetfelder in der unteren Atmosphäre mitsteuern. Zudem gelten sie als möglicher Motor des sogenannten Flechtens magnetischer Feldlinien, bei dem sich die Magnetfelder der Sonne verdrillen und dabei gewaltige Energiemengen speichern, die sich später schlagartig entladen können.
Die vollständigen Beobachtungsdaten und die zugehörigen Simulationen hat das Team in einer Studie dokumentiert, die im Fachjournal Nature erschienen ist und die Wirbel als treibende Kraft der Plasmadurchmischung beschreibt.
Relevanz hat der Befund weit über die Grundlagenforschung hinaus. Die magnetische Energie, deren Aufbau die Wirbel offenbar mitbestimmen, entlädt sich in Sonneneruptionen und koronalen Massenauswürfen, die geladene Teilchen in Richtung Erde schleudern. Solche Ereignisse erzeugen zwar spektakuläre Polarlichter, können aber auch Satelliten beschädigen, den Funkverkehr stören und im Extremfall Stromnetze lahmlegen. Wer das Weltraumwetter zuverlässig vorhersagen will, muss deshalb die kleinskaligen Prozesse verstehen, die es antreiben. Im nächsten Schritt wollen die Forscher die Wirbel mit automatisierten Verfahren systematisch erfassen, um zu beziffern, wie viel Energie sie tatsächlich in die obere Sonnenatmosphäre transportieren. Wie überraschend vielseitig unser Stern die Forschung derzeit beschäftigt, zeigt auch der Nachweis, dass gebündeltes Sonnenlicht erstmals Quantenverschränkung erzeugen kann.
Nature, Ubiquitous Kelvin-Helmholtz instabilities driving plasma mixing on the Sun; doi:10.1038/s41586-026-10871-3