Wissenschaftler haben die Wissenschaft hinter den Plasmastrahlen entschlüsselt – dem vierten Materiezustand, der aus elektrisch geladenen Teilchen besteht, die fast überall in der Chromosphäre der Sonne vorkommen, der atmosphärischen Schicht direkt über der sichtbaren Oberfläche der Sonne.
Diese Jets oder Spicules erscheinen als dünne grasähnliche Plasmastrukturen, die ständig von der Oberfläche hochschießen und dann durch die Schwerkraft nach unten gebracht werden. Die Menge an Energie und Impuls, die diese Nadeln tragen können, ist von grundlegendem Interesse in der Sonnen- und Plasma-Astrophysik. Die Prozesse, durch die Plasma dem Sonnenwind zugeführt und die Sonnenatmosphäre auf eine Million Grad Celsius aufgeheizt wird, sind noch immer ein Rätsel.
Unter der Leitung von Astronomen des Indian Institute of Astrophysics, einem autonomen Institut des Department of Science & Technology (DST), Govt. of India hat ein Team interdisziplinärer Forscher aus Indien und dem Vereinigten Königreich den Ursprung der „Spicules“ auf der Sonne erklärt, indem sie Laborexperimente als Analogie verwendeten. Sie fanden heraus, dass die Physik, die Farbstrahlen zugrunde liegt, wenn sie auf einem Lautsprecher angeregt werden, analog zu den solaren Plasmastrahlen ist.
Bei dem Versuch, die zugrunde liegende Physik der Spicule-Dynamik zu erforschen, wandte sich das Team einem Audio-Lautsprecher zu. Ein Basslautsprecher reagiert auf Erregung bei niedrigen Frequenzen, wie das Rumpeln in Filmen. Wird eine Flüssigkeit über einen solchen Lautsprecher gestellt und die Musik eingeschaltet, wird die freie Oberfläche der Flüssigkeit ab einer bestimmten Frequenz instabil und beginnt zu vibrieren. Ein schönes Beispiel für die in der Natur beobachtete „Faraday-Erregung“ ist, wenn Wassertropfen während der Paarungsschau auf den Rücken eines teilweise untergetauchten männlichen Alligators spritzen. Eine flüssigkeitsähnliche Farbe oder ein Shampoo führt jedoch zu ununterbrochenen Strahlen, wenn sie auf einem Lautsprecher angeregt werden, da ihre langen Polymerketten ihm eine Richtwirkung verleihen.
Die Autoren des Artikels erkannten, dass die diesen Farbstrahlen zugrunde liegende Physik analog zu den solaren Plasmastrahlen sein muss. Dann fragten sie, was nötig wäre, um solche Jets im Plasma zu erzeugen. Sahel Dey vom Indian Institute of Astrophysics (IIA) und Erstautor der Studie erklärte: „Das Sonnenplasma kann man sich als von Magnetfeldlinien durchzogen vorstellen, ähnlich wie die langen Ketten in Polymerlösungen. Das macht beide Systeme aus anisotrop, mit Eigenschaften, die mit der Richtung im Raum variieren.“ Auch mathematisch gibt es eine Analogie bei der Behandlung der beteiligten Belastungen, obwohl es auch offensichtliche Unterschiede gibt.
„Angespornt durch die visuelle Ähnlichkeit zwischen den Sonnennadeln und den Farbspritzern auf dem Lautsprecher untersuchten wir die Rolle des Magnetfelds auf der Sonne mithilfe modernster numerischer Simulationen des Sonnenplasmas. Parallel dazu erforschten wir die Rolle von Polymerketten mithilfe von Zeitlupenvideographie auf Faraday-Wellen in Polymerlösungen“, sagte Murthy OVSN, Co-Autor von der Azim Premji University, wo die Laborexperimente durchgeführt wurden. Sie fanden heraus, dass die Jets durch das Magnetfeld in der Sonne bzw. durch die Polymerketten in der Polymerlösung gegen Instabilitäten intakt gehalten werden. Die Forschung wurde am 3. März 2022 in der Zeitschrift veröffentlicht Naturphysik.
Die Wissenschaftler führten aus, dass sich das Plasma direkt unter der sichtbaren Sonnenoberfläche (Photosphäre) ständig in einem Zustand der Konvektion befindet, ähnlich wie kochendes Wasser in einem am Boden erhitzten Gefäß. Diese wird letztendlich durch die im heißen, dichten Kern freigesetzte Kernenergie angetrieben. Die Konvektion verleiht dem Plasma in der Sonnenchromosphäre, der flachen halbtransparenten Schicht direkt über der sichtbaren Sonnenscheibe, fast periodische, aber starke Stöße. Die Chromosphäre ist 500-mal leichter als das Plasma in der Photosphäre. Daher schießen diese starken Tritte von unten, ähnlich einem Alligatorgebrüll, das chromosphärische Plasma mit Ultraschallgeschwindigkeit in Form dünner Säulen oder Nadeln nach außen.
Spicules gibt es in allen Größen und Geschwindigkeiten. Der bestehende Konsens in der Sonnengemeinschaft war, dass sich die Physik hinter den kurzen Nadeln von der der größeren und schnelleren Nadeln unterscheidet.
Die Studie stellt diesen weit verbreiteten Glauben in Frage, indem sie zeigt, dass die Sonnenkonvektion alle Arten von Jets bilden kann – sowohl kurze als auch große. „Die Simulationen waren in der Lage, einen Wald von Jets zu reproduzieren, weil sie einen realistischeren Bereich von Parametern untersuchten als frühere Studien“, sagte Piyali Chatterjee, der korrespondierende Autor und leitende Forscher des IIA. Die Teammitglieder verwendeten drei verschiedene Supercomputer, alle aus Indien, einschließlich einer Einrichtung der National Supercomputing Mission bei JNCASR (Bengaluru), um ihren massiv parallelen wissenschaftlichen Code auszuführen.
Professor Annapurni Subramaniam, Direktorin des IIA, sagte: „Diese neuartige Zusammenkunft von Sonnenastronomen und Experimentatoren der kondensierten Materie konnte die zugrunde liegende Ursache der kaum verstandenen Sonnennadeln aufdecken treibende Kraft für eine viel stärkere interdisziplinäre Zusammenarbeit.“
Sahel Dey et al., Polymere Strahlen werfen Licht auf den Ursprung und die Natur des Waldes von Sonnennadeln, Naturphysik (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01522-1
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