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Die Sonne hat ein ärgerliches Geheimnis offen vor sich verborgen. Ihre Oberfläche liegt bei etwa 5.500 Grad Celsius, doch die Korona, diese geisterhafte äußere Atmosphäre, die sich Millionen Kilometer in den Weltraum erstreckt, glüht weit über eine Million Grad. Jahrzehntelang haben Sonnenphysiker dieselbe Frage beschäftigt: Wie kann die äußere Schicht deutlich heißer sein als der Stern darunter?
Jetzt sagen Forschende, sie hätten einen der Hauptverdächtigen endlich in flagranti erwischt. Mit dem Daniel K. Inouye Solar Telescope auf Hawaii, dem leistungsstärksten Sonnenteleskop der Erde, haben Wissenschaftler torsionalen Alfvén-Wellen, also schwer fassbare drehende magnetische Bewegungen, direkt in der Sonnenkorona nachgewiesen. Die Entdeckung, veröffentlicht in Nature Astronomy, stärkt eine der überzeugendsten Erklärungen für das langjährige Koronaerwärmungsproblem.
Diese Wellen wurden erstmals 1942 vom schwedischen Physiker Hannes Alfvén vorhergesagt. Einfach ausgedrückt sind sie rotierende Störungen, die sich durch Plasma entlang von Magnetfeldlinien bewegen und diese unsichtbaren Strukturen wie eine aufgezogene Feder hin- und herdrehen. Wissenschaftler vermuteten schon lange, dass sie große Energiemengen nach oben durch die Sonnenatmosphäre transportieren könnten. Das Problem war, ihren tatsächlichen Nachweis zu führen.
Das war nicht einfach. Die Korona besteht aus überhitztem Plasma, einem Zustand der Materie, in dem die Atome so viel Energie haben, dass Elektronen sich von ihren Kernen lösen und ein Meer geladener Teilchen hinterlassen, das stark auf Magnetfelder reagiert. In diesem Umfeld strömt Plasma durch schmale magnetische Kanäle, oft Flussröhren genannt. In diesen Strukturen zeigt das reine Alfvén-Signal keine seitliche Wackelbewegung, sondern eine Drehung.
Was das Teleskop schließlich sah
Der Durchbruch gelang mit dem Cryogenic Near Infrared Spectropolarimeter des Teleskops, kurz Cryo-NIRSP, einem Instrument, das entwickelt wurde, um die feine magnetische und Plasma-Struktur der Korona in außergewöhnlichem Detail zu untersuchen. Unter Leitung von Professor Richard Morton von der Northumbria University verfolgte das Team Eisen, das auf etwa 1,6 Millionen Grad Celsius erhitzt war, und entwickelte eine Methode, um drehende Bewegungen von den weitaus offensichtlicheren Schaukelbewegungen zu isolieren, die normalerweise die Szene dominieren.
Morton sagte, die Suche habe sich seit den 1940er-Jahren hingezogen, und das Team sei nun in der Lage gewesen, Magnetfeldlinien in der Korona direkt bei ihrer Hin- und Herdrehung zu beobachten. Das ist wichtig, weil Schaukelwellen und Drehwellen nicht dasselbe sind. Knickwellen bewegen ganze magnetische Strukturen seitlich. Torsionale Alfvén-Wellen drehen sie um ihre Achse.
Um diese verborgene Drehung zu erkennen, stützten sich die Forschenden auf Spektroskopie, die misst, wie Materie mit Licht wechselwirkt. Bei Sonnenbeobachtungen verschiebt bewegtes Plasma Wellenlängen leicht durch den Doppler-Effekt. Material, das sich zur Erde bewegt, zeigt eine Blauverschiebung. Material, das sich wegbewegt, zeigt eine Rotverschiebung. Wenn diese entgegengesetzten Signale auf gegenüberliegenden Seiten derselben magnetischen Struktur erscheinen, offenbaren sie eine Drehbewegung, die sonst unsichtbar bliebe.
Und genau das zeigten die Daten. Selbst in der ruhigen Korona, abseits der heftigsten Sonnenausbrüche, scheinen diese torsionalen Wellen kontinuierlich präsent zu sein.
Die gemessenen Amplituden sind relativ gering, doch warnen die Forschenden, dass die wahre Stärke der Wellen wahrscheinlich durch die Art der Beobachtung unterschätzt wird. Selbst mit dieser Einschränkung könnten die Wellen einen beträchtlichen Teil der Energie transportieren, die benötigt wird, um die Korona zu erhitzen und den Sonnenwind anzutreiben.
Das hat weitreichende Folgen über die Sonnentheorie hinaus. Der Sonnenwind ist ein Überschallstrom geladener Teilchen, der von der Sonne nach außen fließt, die Heliosphäre formt und die Bedingungen im gesamten Sonnensystem beeinflusst. Wenn magnetische Störungen mit ihm mitreisen, können sie Satelliten, GPS, Funkkommunikation und sogar Stromnetze auf der Erde stören.
Deshalb ist die Entdeckung mehr als ein elegantes astrophysikalisches Ergebnis. Sie stärkt die physikalischen Modelle, mit denen Forschende erklären, wie Energie durch die Sonnenatmosphäre transportiert wird und wie durch Alfvén-Wellen angetriebene Turbulenzen sowohl die Korona erwärmen als auch den Sonnenwind speisen können. Sie könnte auch helfen, die rätselhaften magnetischen Umschaltungen zu erklären, die von der Parker Solar Probe der NASA festgestellt wurden, plötzliche Umkehrungen im Magnetfeld des Sonnenwinds, die offenbar beträchtliche Energie tragen.
Die Studie brachte Forschende aus China, Belgien, dem Vereinigten Königreich und den Vereinigten Staaten zusammen, eine Erinnerung daran, dass die Lösung der tiefsten Rätsel der Sonne selten isoliert entsteht. Da das Inouye Solar Telescope nun beispiellos hochauflösende Ansichten der Korona liefert, erwarten Wissenschaftler eine neue Welle an Antworten darauf, wie magnetische Energie über der Sonnenoberfläche reist, sich verheddert und eruptiv freigesetzt wird.
Nach mehr als 80 Jahren Theorie, Vermutungen und technischer Frustration hat eines der hartnäckigsten Rätsel der Sonnenphysik endlich begonnen, sich zu lösen. Nicht mit einem Knall, sondern mit einer Drehung.
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