Langperiodische Schwingungen steuern die unterschiedliche Rotation der Sonne: Studie

Das unterschiedliche Rotationsmuster der Sonne gibt Wissenschaftlern seit Jahrzehnten Rätsel auf: Während sich die Pole mit einer Periode von etwa 34 Tagen drehen, rotieren die mittleren Breiten schneller und die Äquatorregion benötigt für eine vollständige Rotation nur etwa 24 Tage.

Darüber hinaus haben Fortschritte in der Helioseismologie (dh der Untersuchung des Sonneninneren mit Hilfe solarer akustischer Wellen) gezeigt, dass dieses Rotationsprofil über die gesamte Konvektionszone nahezu konstant ist. Diese Schicht der Sonne erstreckt sich von einer Tiefe von etwa 200.000 Kilometern bis zur sichtbaren Sonnenoberfläche und beherbergt heftige Umwälzungen heißen Plasmas, die eine entscheidende Rolle für den Antrieb des Sonnenmagnetismus und der Sonnenaktivität spielen.

Während in theoretischen Modellen seit langem ein geringfügiger Temperaturunterschied zwischen Sonnenpolen und Äquator postuliert wird, um das Rotationsmuster der Sonne aufrechtzuerhalten, hat sich die Messung als notorisch schwierig erwiesen. Schließlich müssen Beobachtungen durch den Hintergrund des bis zu einer Million Grad warmen Tiefeninneren der Sonne „durchschauen“. Doch wie Forscher des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) zeigen, ist es mittlerweile möglich, aus den Beobachtungen der langperiodischen Schwingungen der Sonne den Temperaturunterschied zu bestimmen.

Die Arbeit ist veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaftliche Fortschritte.

Bei ihrer Analyse der Beobachtungsdaten, die der Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) an Bord des Solar Dynamics Observatory der NASA von 2017 bis 2021 gewonnen hat, wandten sich die Wissenschaftler globalen Sonnenschwingungen mit langen Perioden zu, die als Wirbelbewegungen an der Sonnenoberfläche erkennbar sind. Wissenschaftler des MPS berichteten vor drei Jahren von ihrer Entdeckung dieser Trägheitsschwingungen. Unter diesen beobachteten Moden erwiesen sich die Moden hoher Breiten mit Geschwindigkeiten von bis zu 70 km pro Stunde als besonders einflussreich.

Um die nichtlineare Natur dieser Schwingungen in großen Breitengraden zu untersuchen, führte das Team eine Reihe dreidimensionaler numerischer Simulationen durch. In ihren Simulationen transportieren die Schwingungen in hohen Breitengraden Wärme von den Sonnenpolen zum Äquator, wodurch der Temperaturunterschied zwischen den Sonnenpolen und dem Äquator auf weniger als sieben Grad begrenzt wird.

„Dieser sehr geringe Temperaturunterschied zwischen den Polen und dem Äquator steuert das Drehimpulsgleichgewicht in der Sonne und ist somit ein wichtiger Rückkopplungsmechanismus für die globale Dynamik der Sonne“, sagt MPS-Direktor Prof. Dr. Laurent Gizon.

In ihren Simulationen beschrieben die Forscher erstmals die entscheidenden Prozesse in einem vollständig dreidimensionalen Modell. Frühere Bemühungen beschränkten sich auf zweidimensionale Ansätze, die die Symmetrie um die Rotationsachse der Sonne annahmen.

„Durch die Abstimmung der nichtlinearen Simulationen mit den Beobachtungen konnten wir die Physik der langperiodischen Schwingungen und ihre Rolle bei der Steuerung der unterschiedlichen Rotation der Sonne verstehen“, sagt MPS-Postdoktorand und Hauptautor der Studie Dr. Yuto Bekki.

Die solaren Schwingungen in hohen Breitengraden werden durch einen Temperaturgradienten angetrieben, ähnlich wie extratropische Wirbelstürme auf der Erde. Die Physik ist ähnlich, obwohl die Details unterschiedlich sind: „In der Sonne ist der Sonnenpol etwa sieben Grad heißer als der Äquator und das reicht aus, um Ströme von etwa 70 Kilometern pro Stunde über einen großen Teil der Sonne zu treiben.“ Der Prozess ist „In gewisser Weise ähneln sie dem Antrieb von Wirbelstürmen“, sagt MPS-Wissenschaftler Dr. Robert Cameron.

Es ist schwierig, die Physik des tiefen Inneren der Sonne zu erforschen. Diese Studie ist wichtig, da sie zeigt, dass die langperiodischen Schwingungen der Sonne nicht nur nützliche Sonden für das Sonneninnere sind, sondern auch eine aktive Rolle bei der Funktionsweise der Sonne spielen. Zukünftige Arbeiten werden darauf abzielen, die Rolle dieser Schwingungen und ihr diagnostisches Potenzial besser zu verstehen.