Dem Daniel K. Inouye Solar Telescope, dem leistungsstärksten Sonnenteleskop der Welt, das vom NSF National Solar Observatory (NSO) betrieben wird, gelang ein wichtiger Durchbruch in der Sonnenphysik, indem es erfolgreich die ersten detaillierten Karten der koronalen Magnetfelder der Sonne erstellte.
Dieser Meilenstein unter der Leitung von NSO-Associate-Astronomer Dr. Tom Schad war veröffentlicht In Wissenschaftliche Fortschritteund verspricht, unser Verständnis der Sonnenatmosphäre und der Auswirkungen ihrer sich ändernden Bedingungen auf die technologieabhängige Gesellschaft der Erde zu verbessern.
Die Korona, also die äußere Atmosphäre der Sonne, beeinflusst Sonnenwinde und Weltraumwetterereignisse wie Sonneneruptionen und koronale Massenauswürfe stark. Die magnetischen Kräfte, die diese Ereignisse und die Korona antreiben, sind jedoch schwer zu messen.
Das Teleskop hat die Stärke des Magnetfelds in der Sonnenkorona, dem äußeren Teil der Sonnenatmosphäre, der während einer totalen Sonnenfinsternis sichtbar ist, direkt kartiert. Dieser Durchbruch verspricht, unser Verständnis des Weltraumwetters und seiner Auswirkungen auf die technologieabhängige Gesellschaft der Erde zu verbessern.
Die Korona: Die Startrampe des Weltraumwetters
Das Magnetfeld der Sonne erzeugt in ihrer Atmosphäre Regionen, die oft durch Sonnenflecken verursacht werden und enorme Energiemengen speichern, die explosive Sonnenstürme antreiben und das Weltraumwetter bestimmen.
Die Korona, die äußere Atmosphäre der Sonne, ist ein überhitzter Bereich, in dem sich diese magnetischen Geheimnisse entfalten. Die Kartierung der koronalen Magnetfelder ist für das Verständnis und die Vorhersage des Weltraumwetters von entscheidender Bedeutung – und für den Schutz unserer Technologie auf der Erde und im Weltraum.
Warum es wichtig ist
Das Magnetfeld der Erde schirmt uns vor Sonnenwinden ab, schützt unsere Atmosphäre und macht Leben möglich. Allerdings können die elektromagnetischen Felder und energiereichen Teilchen extremer Sonneneruptionen Satelliten, Stromnetze und andere Systeme, die wir in unserer zunehmend technisierten Gesellschaft brauchen, stören.
Das Verständnis dieser dynamischen Wechselwirkungen, die sich in Zeiträumen von Tagen bis hin zu Jahrhunderten verändern, ist von entscheidender Bedeutung für die Sicherung unserer Infrastruktur und unserer gegenwärtigen Lebensweise.
Die Messung der magnetischen Eigenschaften der Korona war für Astronomen schon lange eine Herausforderung und hat die Grenzen der Technologie schon lange herausgefordert. Heute ist das Inouye Solar Telescope die modernste Anlage zur Erforschung der Korona und hat mit der Erstellung seiner ersten – bislang detailliertesten – Karten des Magnetfelds der Korona einen entscheidenden ersten Schritt zur Lösung dieser Rätsel gemacht.
Das Daniel K. Inouye Solar Telescope der NSF präsentiert seine erste Karte der Signale des solaren Magnetfelds, die mithilfe des Zeeman-Effekts gemessen wurden. Der Zeeman-Effekt polarisiert die koronale Emission, was die Weiterentwicklungen des Inouye-Teleskops erfordert, da seine Signale nur wenige Teile pro Milliarde der Oberflächenhelligkeit der Sonne betragen. Bildnachweis: NSF/NSO/AURA
Die ersten Karten des Magnetfelds der Korona durch das Inouye-Sonnenteleskop
Seit den 1950er Jahren kartieren Sonnenphysiker die Magnetfelder auf der Sonnenoberfläche und gewinnen daraus wertvolle Erkenntnisse. Allerdings besteht schon lange Bedarf an Karten des Magnetfelds in den Zonen über der Oberfläche, wie der Korona, da an diesen Orten Sonnenstürme entstehen. Der Inouye-Teleskop in der Nähe des Gipfels des Haleakalā auf Maui in Hawaii bietet nun die Möglichkeit, diesen dringenden Bedarf zu decken.
Inouye hat mithilfe des Zeeman-Effekts, der magnetische Eigenschaften durch die Beobachtung der Aufspaltung von Spektrallinien misst, seine ersten detaillierten Magnetfeldkarten der Sonnenkorona erstellt. Spektrallinien sind einzelne Linien, die bei bestimmten Wellenlängen im elektromagnetischen Spektrum auftreten und das von Atomen oder Molekülen absorbierte oder emittierte Licht darstellen.
Diese Linien wirken wie „Fingerabdrücke“, da sie für jedes Atom oder Molekül einzigartig sind. So können Wissenschaftler die chemische Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften von Himmelskörpern anhand ihrer Spektren bestimmen. Wenn diese Linien einem Magnetfeld wie dem der Sonne ausgesetzt werden, teilen sie sich auf, was uns einen Einblick in die magnetischen Eigenschaften des Objekts gibt.
Bisherige Versuche, diese Signale zu erkennen, vor zwei Jahrzehnten berichtetfehlte die Detailliertheit und Regelmäßigkeit, die für umfangreiche wissenschaftliche Untersuchungen erforderlich sind. Heute ermöglichen die unübertroffenen Fähigkeiten von Inouye detaillierte, regelmäßige Untersuchungen dieser wichtigen Signale.
Technologisches Wunder
Normalerweise kann man während einer totalen Sonnenfinsternis nur die Sonnenkorona sehen – einen Bereich, der eine Million Mal blasser ist als die Sonnenscheibe. Dann wird das Sonnenlicht größtenteils blockiert und der Himmel über der Erde wird dunkel.
Inouye hingegen verwendet zur Erzeugung künstlicher Finsternisse eine Technik namens Koronagrafie, mit der es ihm ermöglicht wird, extrem schwache polarisierte Signale zu erkennen – die eine Milliarde Mal schwächer sind als die Sonnenscheibe. Dies unterstreicht seine beispiellose Empfindlichkeit und festigt seinen Status als einzigartiges Fenster zu unserem Heimatstern.
Das Inouye-Teleskop erreicht dies mit seinem kryogenen Nahinfrarot-Spektropolarimeter (Cryo-NIRSP), einem der Hauptinstrumente des Teleskops, das zur Untersuchung der Korona und zur Kartierung ihrer Magnetfelder verwendet wird. Dieses Instrument wurde vom Institut für Astronomie der Universität von Hawaii entwickelt und gebaut.
Das Daniel K. Inouye Solar Telescope der NSF erweitert unsere Möglichkeiten, die Physik der Sonnenkorona zu verstehen. Diese Animation zeigt zunächst die sich entwickelnde Sonnenoberfläche, wie sie routinemäßig vom Solar Dynamics Observatory der NASA abgebildet wird. Hier liegen die Temperaturen bei etwa 6000 Grad Celsius. Es folgt eine Karte der Magnetfelder der Oberfläche, auf der man konzentrierte Bereiche von Magnetismus erkennen kann (schwarze und weiße Bereiche). Dieses Magnetfeld erstreckt sich in drei Dimensionen nach oben, wo sich die Sonnenkorona bildet, und erzeugt helles, heißes Gas bei Millionen von Grad. Das Inouye ist nun in der Lage, die Magnetfelder in der Korona selbst zu kartieren, was wichtige Einblicke in die Art und Weise liefert, wie die Korona erhitzt wird und magnetische Energie eingefangen und freigesetzt wird. Bildnachweis: NSF/NSO/AURA
„Inouyes Erfolg bei der Kartierung der koronalen Magnetfelder der Sonne ist ein Beweis für das innovative Design und die Fähigkeiten dieses bahnbrechenden, einzigartigen Observatoriums“, sagte Tom Schad, Wissenschaftler am NSO und Erstautor der Studie. „Dieser Durchbruch verspricht, unser Verständnis der Sonnenatmosphäre und ihres Einflusses auf unser Sonnensystem deutlich zu verbessern.“
Zukunftsaussichten
Dieser Meilenstein markiert den Beginn einer neuen Ära in der Sonnenphysik. Der Erfolg von Inouye bei der Kartierung der koronalen Magnetfelder der Sonne bekräftigt seine Vision und Mission und eröffnet neue Möglichkeiten im Verständnis des Einflusses der Sonne auf das Weltraumwetter.
„Genauso wie detaillierte Karten der Erdoberfläche und der Atmosphäre genauere Wettervorhersagen ermöglicht haben, wird uns diese aufregend vollständige Karte der Magnetfelder in der Sonnenkorona helfen, Sonnenstürme und Weltraumwetter besser vorherzusagen“, sagt Dr. Carrie Black, NSF-Programmdirektorin für das NSO.
„Die unsichtbaren, aber phänomenal starken Kräfte, die in dieser Karte festgehalten sind, werden die Sonnenphysik im nächsten Jahrhundert und darüber hinaus vorantreiben.“
Christoph Keller, Direktor des NSO, sagte: „Die Kartierung der Stärke des Magnetfelds in der Korona ist ein grundlegender wissenschaftlicher Durchbruch, nicht nur für die Sonnenforschung, sondern für die Astronomie im Allgemeinen.“
„Dies ist der Beginn einer neuen Ära, in der wir verstehen werden, wie die Magnetfelder der Sterne die Planeten beeinflussen, hier in unserem eigenen Sonnensystem und in den Tausenden von Exoplanetensystemen, die wir heute kennen.“
Laufende und zukünftige Studien werden die Diagnosewerkzeuge und -techniken verfeinern und so zu tieferen Einblicken in die magnetische Umgebung der Sonne und ihre Auswirkungen auf die Erde und unser Sonnensystem führen.
Weitere Informationen:
Thomas Schad, Kartierung des koronalen Magnetfelds der Sonne mittels des Zeeman-Effekts, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adq1604. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq1604