Forscher entdecken die Rolle von Plasmawellen bei der mysteriösen Erwärmung der Sonnenkorona

In unserer Sonne steckt ein tiefes Geheimnis. Während die Oberflächentemperatur der Sonne etwa 10.000 Grad Fahrenheit beträgt, misst ihre äußere Atmosphäre, die als Sonnenkorona bekannt ist, eher etwa 2 Millionen Grad Fahrenheit, etwa 200-mal heißer.

Dieser Temperaturanstieg abseits der Sonne ist verblüffend und seit 1939, als die hohe Temperatur der Korona erstmals festgestellt wurde, ein ungelöstes Rätsel. In den folgenden Jahrzehnten haben Wissenschaftler versucht, den Mechanismus zu bestimmen, der diese unerwartete Erwärmung verursachen könnte, aber bisher ist ihnen kein Erfolg gelungen.

Nun hat ein Team unter der Leitung von Sayak Bose, einem Forscher am Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums (DOE), einen bedeutenden Fortschritt beim Verständnis des zugrunde liegenden Erwärmungsmechanismus erzielt. Ihre jüngsten Erkenntnisse zeigen, dass reflektierte Plasmawellen die Erwärmung koronaler Löcher vorantreiben könnten, bei denen es sich um Regionen der Sonnenkorona mit geringer Dichte und offenen Magnetfeldlinien handelt, die sich bis in den interplanetaren Raum erstrecken. Diese Erkenntnisse stellen einen großen Fortschritt bei der Lösung eines der mysteriösesten Probleme unseres nächsten Sterns dar.

„Wissenschaftler wussten, dass koronale Löcher hohe Temperaturen aufweisen, aber der zugrunde liegende Mechanismus, der für die Erwärmung verantwortlich ist, ist nicht gut verstanden“, sagte Bose, der Hauptautor der Studie Papier Meldung der Ergebnisse in Das Astrophysikalische Journal. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Reflexion von Plasmawellen diese Aufgabe erfüllen kann. Dies ist das erste Laborexperiment, das zeigt, dass Alfvén-Wellen unter Bedingungen reflektiert werden, die für koronale Löcher relevant sind.“

Die Wellen, die seinen Namen tragen, wurden erstmals vom schwedischen Physiker und Nobelpreisträger Hannes Alfvén vorhergesagt und ähneln den Schwingungen gezupfter Gitarrensaiten, nur dass die Plasmawellen in diesem Fall durch wackelnde Magnetfelder verursacht werden.

Bose und andere Mitglieder des Teams nutzten die 20 Meter lange Plasmasäule des Large Plasma Device (LAPD) an der University of California-Los Angeles (UCLA), um Alfvén-Wellen unter Bedingungen anzuregen, die denen um koronale Löcher nachahmen.

Das Experiment zeigte, dass Alfvén-Wellen, wenn sie auf Regionen unterschiedlicher Plasmadichte und Magnetfeldstärke treffen, wie dies in der Sonnenatmosphäre um koronale Löcher der Fall ist, reflektiert werden und sich rückwärts zu ihrer Quelle bewegen können. Die Kollision der sich nach außen bewegenden und reflektierten Wellen verursacht Turbulenzen, die wiederum eine Erwärmung verursachen.

„Physiker haben lange die Hypothese aufgestellt, dass die Alfvén-Wellenreflexion zur Erklärung der Erwärmung koronaler Löcher beitragen könnte, aber es war weder im Labor zu überprüfen noch direkt zu messen“, sagte Jason TenBarge, ein Gastforscher am PPPL, der ebenfalls dazu beigetragen hat Forschung.

„Diese Arbeit liefert den ersten experimentellen Nachweis, dass die Alfvén-Wellenreflexion nicht nur möglich ist, sondern auch, dass die Menge der reflektierten Energie ausreicht, um koronale Löcher zu erhitzen.“

Neben der Durchführung der Laborexperimente führte das Team Computersimulationen der Experimente durch, die die Reflexion von Alfvén-Wellen unter ähnlichen Bedingungen wie koronale Löcher bestätigten.

„Wir führen routinemäßig mehrere Überprüfungen durch, um die Genauigkeit unserer beobachteten Ergebnisse sicherzustellen“, sagte Bose, „und die Durchführung von Simulationen war einer dieser Schritte. Die Physik der Alfvén-Wellenreflexion ist sehr faszinierend und kompliziert. Es ist erstaunlich, wie tiefgreifend grundlegende physikalische Laborexperimente sind.“ und Simulationen können unser Verständnis natürlicher Systeme wie unserer Sonne erheblich verbessern.“

Zu den Mitarbeitern gehörten Wissenschaftler der Princeton University, der University of California-Los Angeles und der Columbia University.