Internationales Team erstellt globale Karten des koronalen Magnetfelds

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler nahezu täglich Messungen des globalen koronalen Magnetfelds der Sonne durchgeführt, einer Region der Sonne, die in der Vergangenheit nur unregelmäßig beobachtet wurde. Die daraus resultierenden Beobachtungen liefern wertvolle Einblicke in die Prozesse, die die intensiven Sonnenstürme antreiben, die sich auf grundlegende Technologien und damit auf Leben und Lebensgrundlagen hier auf der Erde auswirken.

Ein Analyse der Datenüber einen Zeitraum von acht Monaten mit einem Instrument namens Upgraded Coronal Multi-channel Polarimeter (UCoMP) gesammelt, wurde in veröffentlicht Wissenschaft.

Das solare Magnetfeld ist der Haupttreiber von Sonnenstürmen, die eine Bedrohung für Stromnetze, Kommunikationssysteme und Weltraumtechnologien wie GPS darstellen können. Unsere Fähigkeit zu verstehen, wie das Magnetfeld Energie aufbaut und ausbricht, wurde jedoch durch die Herausforderung eingeschränkt, es in der Sonnenkorona, der oberen Atmosphäre der Sonne, zu beobachten.

Die Messung des Magnetismus der Region mithilfe standardmäßiger polarimetrischer Methoden erfordert typischerweise große, teure Geräte, mit denen bisher nur kleine Segmente der Korona untersucht werden konnten.

Der kombinierte Einsatz von Koronalseismologie und UCoMP-Beobachtungen ermöglicht es Forschern jedoch, konsistente und umfassende Ansichten des Magnetfelds der globalen Korona zu erstellen – die Gesamtansicht der Sonne, die man während einer Sonnenfinsternis sieht.

„Die globale Kartierung des koronalen Magnetfelds hat bei der Erforschung der Sonne einen großen Teil vermisst“, sagte Zihao Yang, Hauptautor, der diese Forschung als Doktorand verfolgte. Er hat seinen Abschluss an der Peking-Universität in China gemacht und ist jetzt Postdoktorand am National Center for Atmospheric Research (NSF NCAR) der US-amerikanischen National Science Foundation.

„Diese Forschung hilft uns, eine entscheidende Lücke in unserem Verständnis der koronalen Magnetfelder zu schließen, die die Energiequelle für Stürme sind, die sich auf die Erde auswirken können.“

Das internationale Team besteht aus Forschern der Northumbria University, Großbritannien; NSF NCAR; Peking-Universität, China; und University of Michigan. Das UCoMP-Instrument wird von NSF NCAR am betrieben Sonnenobservatorium Mauna Loa.

Verbessertes Instrument

Obwohl es Wissenschaftlern routinemäßig gelungen ist, das Magnetfeld auf der Sonnenoberfläche, die sogenannte Photosphäre, zu messen, war es lange Zeit schwierig, das viel schwächere koronale Magnetfeld zu messen. Dies hat ein tieferes Verständnis der dreidimensionalen Struktur und Entwicklung des Magnetfelds der Korona, in der sich Sonnenstürme zusammenbrauen, eingeschränkt.

Um die dreidimensionalen koronalen Magnetfelder in der Tiefe zu messen, werden große Teleskope wie NSFs eingesetzt Daniel K. Inouye Sonnenteleskop (DKIST) werden benötigt. Mit einer Apertur von 4 Metern Durchmesser ist DKIST das größte Sonnenteleskop der Welt und hat kürzlich seine bahnbrechende Fähigkeit zur detaillierten Beobachtung des koronalen Magnetfelds unter Beweis gestellt.

Allerdings ist DKIST nicht in der Lage, die Sonne auf einmal zu kartieren. Das kleinere UCoMP-Instrument ist tatsächlich besser geeignet, Wissenschaftlern globale Bilder des koronalen Magnetfelds zu liefern, wenn auch mit geringerer Auflösung und in einer zweidimensionalen Projektion. Die Beobachtungen aus beiden Quellen ergänzen sich daher hervorragend zu einer ganzheitlichen Betrachtung des koronalen Magnetfelds.

Bei UCoMP handelt es sich in erster Linie um einen Koronographen, ein Instrument, das ähnlich wie bei einer Sonnenfinsternis mithilfe einer Scheibe das Sonnenlicht ausblendet und so die Beobachtung der Korona erleichtert. Es kombiniert außerdem ein Stokes-Polarimeter, das andere spektrale Informationen wie die Intensität der Koronallinie und die Dopplergeschwindigkeit abbildet.

Obwohl UCoMP eine viel kleinere Öffnung (20 cm) hat, ist es in der Lage, einen größeren Blickwinkel einzunehmen, sodass an den meisten Tagen die gesamte Sonne untersucht werden kann.

Die Forscher verwendeten eine Methode namens Koronalseismologie, um magnetohydrodynamische (MHD) Transversalwellen in den UCoMP-Daten zu verfolgen. Die MHD-Wellen lieferten ihnen Informationen, die es ermöglichten, eine zweidimensionale Karte der Stärke und Richtung des koronalen Magnetfelds zu erstellen.

Im Jahr 2020 nutzte eine frühere Studie den Vorgänger von UCoMP und die Methode der koronalen Seismologie, um die erste Karte des globalen koronalen Magnetfelds zu erstellen. Dies war ein entscheidender Schritt hin zu routinemäßigen koronalen Magnetfeldmessungen. UCoMP verfügt über erweiterte Funktionen, die detailliertere Routinemessungen ermöglichen.

Während der UCoMP-Studie erstellte das Forschungsteam zwischen Februar und Oktober 2022 114 Magnetfeldkarten, also fast jeden zweiten Tag eine.

„Wir treten in eine neue Ära der Sonnenphysikforschung ein, in der wir das koronale Magnetfeld routinemäßig messen können“, sagte Yang.

Vervollständigung des Bildes

Die Beobachtungen führten auch zu ersten Messungen des koronalen Magnetfelds in den Polarregionen. Die Pole der Sonne wurden nie direkt beobachtet, da sie aufgrund der Krümmung der Sonne in der Nähe der Pole für uns von der Erde aus kaum sichtbar sind.

Obwohl die Forscher die Pole nicht direkt betrachteten, konnten sie zum ersten Mal den von ihnen ausgehenden Magnetismus messen. Dies lag zum Teil an der verbesserten Datenqualität von UCoMP und daran, dass sich die Sonne nahe ihrem Sonnenmaximum befand. Die typischerweise schwachen Emissionen aus der Polarregion waren viel stärker, was es einfacher macht, Ergebnisse zu koronalen Magnetfeldern in den Polarregionen zu erhalten.

Als Postdoktorand am NSF NCAR wird Yang seine Forschung zum Magnetfeld der Sonne fortsetzen; Er hofft, bestehende Koronalmodelle zu verbessern, die auf Messungen der Photosphäre basieren. Da die aktuelle Methode von UCoMP auf zwei Dimensionen beschränkt ist, erfasst sie immer noch nicht das gesamte dreidimensionale Magnetfeld.

Yang und seine Kollegen hoffen, ihre Forschung mit anderen Techniken kombinieren zu können, um ein tieferes Verständnis des gesamten Vektors des Magnetfelds in der Korona zu erlangen.

Die dritte Dimension des Magnetfelds, ausgerichtet entlang der Blickrichtung des Betrachters, ist von besonderer Bedeutung für das Verständnis, wie die Korona im Vorfeld einer Sonneneruption mit Energie versorgt wird.

Letztendlich ist eine Kombination aus einem großen Teleskop und einem globalen Sichtfeld erforderlich, um alle dreidimensionalen Drehungen und Wirrungen hinter Phänomenen wie Sonneneruptionen zu messen; Dies ist die Motivation hinter dem Vorschlag Observatorium für koronalen Sonnenmagnetismus (COSMO), ein Sonnenbrechteleskop mit 1,5 Metern Durchmesser, das sich seiner letzten Designstudie unterzieht.

„Da der koronale Magnetismus die Kraft ist, die die Masse der Sonne durch das Sonnensystem treibt, müssen wir sie in 3D beobachten – und überall gleichzeitig in der gesamten globalen Korona“, sagte Sarah Gibson, COSMO-Entwicklungsleiterin und NSF-NCAR Wissenschaftler-Co-Autor des Artikels.

„Yangs Arbeit stellt einen großen Fortschritt in unserer Fähigkeit dar, zu verstehen, wie sich das globale koronale Magnetfeld der Sonne von Tag zu Tag verändert. Dies ist entscheidend für unsere Fähigkeit, Sonnenstürme, die eine immer größere Gefahr für uns darstellen, besser vorherzusagen und uns darauf vorzubereiten.“ immer mehr technologisch abhängige Leben hier auf der Erde.“