Sind die magnetischen Bögen der Sonne eine optische Täuschung?

Aus der Ferne erscheint die Sonne im sichtbaren Licht leer und ohne Merkmale. Aber durch ein Sonnenteleskop in verschiedenen Wellenlängen wird deutlich, dass es viel, viel mehr ist.

Unter extrem ultraviolettem Licht ähnelt die Sonne einem zerknitterten Wollknäuel. Es wimmelt von riesigen strahlenden Bögen, die als koronale Schleifen bekannt sind und durch die Korona der Sonne oder die äußere Atmosphäre schweben. Koronale Schleifen gelten als grundlegend für die Funktionsweise der Sonne. Zu verstehen, wie sie entstehen, sich verändern und bewegen, ist eines der wichtigsten Ziele, um unseren nächsten Stern zu verstehen.

Davon gehen zumindest Forscher seit langem aus. In einer kürzlich erschienenen Veröffentlichung argumentieren die Sonnenphysikerin Anna Malanushenko und ihre Co-Autoren, dass einige koronale Schleifen möglicherweise nicht das sind, was sie zu sein scheinen. Stattdessen können sie manchmal optische Täuschungen sein, die durch Falten oder Fältchen in viel größeren „Blättern“ aus Sonnenmaterial entstehen, die die Autoren als koronale Schleier bezeichnen.

„Wenn das wirklich stimmt, müssen wir die Art und Weise, wie wir koronale Schleifen betrachten und interpretieren, komplett ändern“, sagte Malanuschenko, Wissenschaftler am National Center for Atmospheric Research in Boulder, Colorado, und Hauptautor des in veröffentlichten Artikels Das Astrophysikalische Journal.

Seit der Aufnahme der ersten Bilder von koronalen Schleifen in den späten 60er Jahren haben Wissenschaftler Hypothesen aufgestellt, wie ihre 3D-Struktur aussehen könnte. Das herkömmliche Modell sah sie als magnetische „Röhren“, die von den magnetischen Feldlinien der Sonne gebildet wurden. Die Röhren selbst sind unsichtbar; Was wir sehen, ist das helle Sonnenmaterial, das durch sie hindurchfließt wie Wasser durch einen Gartenschlauch. Dieses „Gartenschlauch“-Modell der koronalen Schleifen passte gut zur bekannten Physik und es gab zumindest am Anfang keinen Grund, daran zu zweifeln. Aber schließlich begannen sich Beobachtungen zu häufen, die nicht passten.

So wie die Luft auf der Erde in größerer Höhe dünner wird, wird das helle Plasma oder elektrisch geladene Gas der Sonne mit der Höhe dünner. Deshalb wird es mit der Höhe dunkler, und wenn koronale Schleifen wirklich Plasmaröhren sind, sollten sie das auch. Aber viele Schleifen behalten ohne offensichtliche Erklärung eine konstante Helligkeit bei.

Wenn koronale Schleifen den Magnetfeldlinien der Sonne folgen, sollten sie sich aufblähen, wenn sie sich von der Sonne entfernen, wenn sich dieses Magnetfeld ausdehnt, um den Raum zu füllen. „Aber sie werden nicht annähernd so breit, wie wir denken, dass sie sollten“, sagte Malanuschenko. „Die meisten von ihnen bleiben zu dünn und wir verstehen nicht warum.“

Irgendetwas stimmte nicht, und Malanuschenko begann, die Beobachtungen selbst in Frage zu stellen. Schließlich ist die Korona der Sonne „optisch dünn“ oder durchscheinend wie Nebel oder Rauch. Sie wollte die optischen Tricks verstehen, die in einer solchen Umgebung auftreten können.

Malanuschenko beschloss, den Prozess der Beobachtung koronaler Schleifen mit einem Computer zu simulieren. Sie hat eine 3D-Simulation der Sonne, die ursprünglich zum Studium von Fackeln verwendet wurde, umfunktioniert und dann ein Programm geschrieben, um sie zu „beobachten“. Sie startete die Simulation, und ihr Programm machte 2D-„Bilder“ davon, so wie uns Teleskope 2D-Schnappschüsse der echten Sonne liefern. Tatsächlich zeigten die Schnappschüsse helle Bögen – künstliche koronale Schleifen auf einer simulierten Sonne.

Aber im Gegensatz zur echten Sonne konnte Malanuschenko die simulierte Sonne anhalten und ihre 3D-Strukturen dahinter betrachten. Und sie fand etwas deutlich anderes als gartenschlauchähnliche Rohre.

„Ich habe keine Worte, wie ich es beschreiben soll, denn das ist nicht wie alles, was wir auf der Erde sehen“, sagte Malanuschenko, „ich möchte sagen, dass diese Formation wie Rauchwolken aussieht oder vielleicht ein Schleier oder Vorhänge, die zerknittert sind .“

Malanuschenko erstellte ein einfaches Modell, um zu veranschaulichen, wie ein Schleier die Illusion von koronalen Schleifen erzeugen könnte. Der an der Wand erzeugte Schatten repräsentiert das 2D-Bild, das wir in Sonnenteleskopen sehen. Die Falten und Fältchen des Schleiers erzeugen ein Muster aus dunkleren und helleren Strängen, das in gewisser Weise dem Bild ähnelt, das von echten schlauchartigen Strängen geworfen wird.

„Aber viele der Stränge, die Sie hier sehen, sind nur ein Projektionseffekt. Sie sind nicht echt“, sagte Malanuschenko.

Malanuschenko und ihre Co-Autoren stellen schnell klar, dass nicht alle koronalen Schleifen visuelle Illusionen sind. Es gab viele Fälle, in denen sich tatsächlich Gartenschlauch-ähnliche Strukturen bildeten, selbst in der Simulation, die Malanuschenko untersuchte.

„Es wäre aufregend, wenn wir sagen könnten: ‚Unser Denken war völlig falsch, wir haben ein völlig neues Paradigma’“, sagte Jim Klimchuk, ein Sonnenphysiker am Goddard Space Flight Center der NASA und Mitautor des Papiers. „So ist es gar nicht – aber diese Schleier gibt es sicher, und jetzt ist es eine Frage der Proportionen: Sind Schleier häufiger oder Schleifen häufiger?“

In einer Sache sind sich die Co-Autoren einig, dass es jetzt noch viel zu tun gibt.

„Nun, haben wir eine Ahnung, warum diese Schleierstrukturen produziert werden?“ fragte Malanuschenko. „Nein! Wir haben sie buchstäblich gerade entdeckt. Jetzt müssen wir sie erklären, und wir haben noch keine gute Erklärung.“