Koronale Schleifen sind möglicherweise nicht das, was sie scheinen

Laut einem neuen Artikel, der die vorherrschenden Annahmen darüber, was wir über die Sonne wissen, und was nicht, in Frage stellt, könnten viele koronale Schleifen – seilartige Plasmastränge, von denen Wissenschaftler lange dachten, dass sie in der Sonnenatmosphäre existieren – tatsächlich optische Täuschungen sein.

Die Forschung, die vom National Center for Atmospheric Research (NCAR) geleitet und in veröffentlicht wurde Das Astrophysikalische Journal, stützte sich auf eine hochmoderne, realistische 3D-Simulation der Sonnenkorona. Die vor einigen Jahren am NCAR durchgeführte Simulation ermöglichte es den Wissenschaftlern, die Korona in einzelne Abschnitte zu schneiden, um einzelne Koronalschleifen zu isolieren.

Sie fanden heraus, dass viele der Schleifen überhaupt keine Schleifen waren.

Während das Forschungsteam in der Lage war, einige der gesuchten koronalen Schleifen zu lokalisieren, fanden sie auch heraus, dass in vielen Fällen, was auf Bildern der Sonne Schleifen zu sein scheinen, tatsächlich Falten aus hellem Plasma in der Sonnenatmosphäre sein können. Wenn sich Schichten aus hellem Plasma über sich selbst falten, sehen die Falten wie helle dünne Linien aus, die das Aussehen von einzelnen und in sich geschlossenen Plasmasträngen nachahmen.

Die Ergebnisse, die das Forschungsteam als „Kronenschleier“-Hypothese bezeichnet, haben erhebliche Auswirkungen auf unser Verständnis der Sonne, da die vermuteten Koronalschleifen seit Jahrzehnten dazu dienen, Informationen über Dichte, Temperatur und andere physikalische Eigenschaften abzuleiten Eigenschaften der Sonnenatmosphäre.

„Ich habe meine gesamte Karriere damit verbracht, koronale Schleifen zu studieren“, sagte NCAR-Wissenschaftlerin Anna Malanuschenko, die die Studie leitete. „Ich war begeistert, dass diese Simulation mir die Möglichkeit geben würde, sie genauer zu studieren. Damit hatte ich nie gerechnet. Als ich die Ergebnisse sah, explodierte mein Verstand. Dies ist ein völlig neues Paradigma für das Verständnis der Sonnenatmosphäre.“

Die Forschung wurde von der NASA finanziert und umfasste Mitarbeiter des High Altitude Observatory von NCAR, des Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory, des Southwest Research Institute und der NASA Goddard. NCAR wird von der National Science Foundation gesponsert.

Herausfordernde Intuition

Was wie koronale Schleifen aussieht, ist auf Bildern zu sehen, die von der Sonne in extrem ultraviolettem Licht aufgenommen wurden. Die Annahme, dass sie existieren, ist für Wissenschaftler eine natürliche, da sie zu unserem grundlegendsten Verständnis des Magnetismus passt.

Die meisten Schulkinder haben schon einmal gesehen, was passiert, wenn man Eisenspäne in die Nähe eines Stabmagneten streut. Die Späne orientieren sich an magnetischen Feldlinien, die von einem Pol des Stabmagneten zum anderen schleifen. Diese gekrümmten Linien breiten sich aus und werden schwächer und weniger dicht, je weiter sie vom Magneten entfernt sind.

Die offensichtlichen koronalen Schleifen in Bildern der Sonne sehen auffallend ähnlich aus, und da es ein signifikantes Magnetfeld in der Sonne gibt, scheint die Existenz von Magnetfeldlinien, die ein Plasmaseil zwischen ihnen einfangen und Schleifen erzeugen könnten, eine naheliegende Erklärung zu sein. Und tatsächlich bestätigt die neue Studie, dass solche Schleifen wahrscheinlich existieren.

Die auf der Sonne zu sehenden Koronalschleifen haben sich jedoch nie genau so verhalten, wie sie es sollten, basierend auf unserem Verständnis von Magneten. Zum Beispiel würden Wissenschaftler erwarten, dass sich die magnetischen Feldlinien auf der Sonne ausbreiten, genau wie im Experiment mit Eisenfeilspänen, wenn Sie sich in der Korona höher bewegen. In diesem Fall würde sich das zwischen den Feldlinien eingeschlossene Plasma auch zwischen den Grenzen ausbreiten und dickere, weniger helle Schleifen erzeugen. Aber Bilder der Sonne zeigen dieses Phänomen nicht. Stattdessen wirken die Schleifen weiter außen immer noch dünn und hell.

Die Möglichkeit, dass diese Schleifen stattdessen Falten in einem koronalen Schleier sind, hilft, diese und andere Diskrepanzen mit unseren Erwartungen an die Schleifen zu erklären – aber sie wirft auch neue Fragen auf. Was bestimmt zum Beispiel die Form und Dicke der Falten? Und wie viele der scheinbaren Schleifen in Bildern der Sonne sind tatsächlich echte Stränge und wie viele sind optische Täuschungen?

„Diese Studie erinnert uns als Wissenschaftler daran, dass wir unsere Annahmen immer hinterfragen müssen und dass unsere Intuition manchmal gegen uns arbeiten kann“, sagte Malanuschenko.

Innovatives Modell bietet neue Sicht auf die Sonne

Die Entdeckung, dass koronale Schleifen Illusionen sein können, wurde dank einer äußerst detaillierten Simulation der Sonnenkorona ermöglicht, die von MURaM erstellt wurde, einem radiativen magnetohydrodynamischen Modell, das erweitert wurde, um die Sonnenkorona in einer von NCAR geleiteten Anstrengung zu modellieren.

Die Simulation war bahnbrechend, als sie zum ersten Mal erstellt wurde, da sie gleichzeitig modellieren konnte, was in mehreren Regionen der Sonne passiert, vom oberen Teil der Konvektionszone – etwa 10.000 Kilometer unter der Sonnenoberfläche – durch die Sonnenoberfläche und darüber hinaus. bis zu fast 40.000 Kilometer in die Sonnenkorona. Diese unterschiedlichen Regionen der Sonne decken ein breites Spektrum physikalischer Bedingungen ab, einschließlich Dichte- und Druckunterschiede, und daher hatten Wissenschaftler zuvor keinen Weg gefunden, diese Regionen mathematisch in einer einheitlichen Simulation darzustellen.

Die neue Simulation konnte unter anderem erstmals den gesamten Lebenszyklus einer Sonneneruption erfassen, vom Energieaufbau unterhalb der Sonnenoberfläche über die Entstehung der Eruption an der Oberfläche bis hin zur explosionsartigen Freisetzung Energie.

Das Modell produzierte auch dreidimensionale Datensätze, die die Struktur des Magnetfelds und des Plasmas enthalten, die verwendet werden können, um „synthetische“ Beobachtungen zu generieren. Da die Sonnenkorona optisch dünn ist, man sie also relativ leicht durchschauen kann, überlagern sich Strukturen in der Korona in Bildern der Sonne. Dies macht es schwierig zu sagen, ob eine „Schleife“, die andere Schleifen überlappt, vorne oder hinten ist. Es ist auch schwer zu sagen, ob die Schlaufe selbst einen kompakten Querschnitt hat, wie ein Gartenschlauch, oder einem langen Band ähnelt, wenn man den Rand betrachtet. Es ist auch möglich, dass das, was wie ein dünner Strang aussieht, ein optisches Artefakt ist, das durch eine Falte in einer Schicht aus hellem Plasma verursacht wird.

Die von MURaM erzeugten Datenwürfel bieten Wissenschaftlern die Möglichkeit, die Sonnenatmosphäre zu sezieren und die überlappenden Strukturen separat zu untersuchen, was mit den derzeit verfügbaren Observatorien und Instrumenten nicht möglich ist.

Obwohl die MURaM-Simulation eine der realistischsten ist, die jemals von der Sonnenkorona erstellt wurde, ist sie immer noch nur ein Modell. Um zu verstehen, wie viele koronale Schleifen tatsächlich optische Täuschungen sind, sind sorgfältig konzipierte Beobachtungsmethoden erforderlich, die die Korona untersuchen, sowie neue Datenanalysetechniken.

„Wir wissen, dass die Entwicklung solcher Techniken eine große Herausforderung wäre, aber diese Studie zeigt, dass die Art und Weise, wie wir derzeit die Beobachtungen der Sonne interpretieren, möglicherweise nicht ausreicht, um die Physik unseres Sterns wirklich zu verstehen“, sagte Malanuschenko.