Labor-Sonneneruptionen enthüllen Hinweise auf den Mechanismus hinter Ausbrüchen hochenergetischer Teilchen

Durch die Simulation von Sonneneruptionen in der Größe einer Banane haben Forscher am Caltech den Prozess analysiert, durch den diese massiven Explosionen potenziell schädliche energetische Partikel und Röntgenstrahlen in den Kosmos schleudern. Ihre Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Naturastronomie.

Koronaschleifen sind Plasmabögen, die aus der Sonnenoberfläche herausragen und entlang von Magnetfeldlinien ausgerichtet sind. Die Magnetfeldlinien wirken wie Autobahnen für geladene Teilchen und lenken die Bewegung der Elektronen und Ionen, aus denen das Plasma besteht. Die Schleifen, die 100.000 Kilometer über die Sonnenoberfläche hinausragen können, können Minuten bis Stunden andauern. Die Schleifen wachsen und entwickeln sich normalerweise langsam, können aber manchmal eine enorme Energiemenge – Milliarden Mal stärker als die stärkste Atomexplosion auf der Erde – abrupt in den Weltraum schleudern. Dieser plötzliche Energiestoß wird als Sonneneruption bezeichnet.

Ein Teil der Energie in der Fackel nimmt die Form von geladenen Teilchen und „harten Röntgenstrahlen“ an, bei denen es sich um hochenergetische elektromagnetische Wellen handelt, wie sie zum Abbilden von Knochen in einer Arztpraxis verwendet werden. Das eigene Magnetfeld und die Atmosphäre der Erde wirken wie ein Schutzschild, das das Leben an der Oberfläche davor schützt, von diesen Energieströmen gekocht zu werden, aber sie sind dafür bekannt, dass sie die Kommunikation und die Stromnetze stören. Sie stellen auch eine ständige Bedrohung für Raumfahrzeuge und Astronauten im Weltraum dar.

Während die Tatsache, dass Sonneneruptionen energiereiche Teilchen und Röntgenblitze erzeugen, seit langem bekannt ist, beginnen Wissenschaftler gerade erst, den Mechanismus zu entschlüsseln, mit dem sie dies tun.

Forscher haben zwei Möglichkeiten, um zu entschlüsseln, wie und warum sich die Schleifen bilden und verändern. Die erste besteht darin, die Sonne zu beobachten und zu hoffen, das Phänomen ausreichend detailliert zu erfassen, um relevante Informationen zu erhalten. Die zweite besteht darin, die Schleifen in einem Labor zu simulieren. Paul Bellan vom Caltech, Professor für angewandte Physik, entschied sich für Letzteres.

In einem Labor im ersten Stock der Thomas J. Watson, Sr., Laboratories of Applied Physics auf dem Campus des Caltech, baute Bellan eine Vakuumkammer mit zwei Elektroden im Inneren. Um das Phänomen zu simulieren, lud er einen Kondensator mit genügend Energie auf, um die Stadt Pasadena einige Mikrosekunden lang zu betreiben, und entlud ihn dann über die Elektroden, um eine Miniatur-Solarkoronaschleife zu erzeugen.

Jede Schleife dauert etwa 10 Mikrosekunden und hat eine Länge von etwa 20 Zentimetern (cm) und einen Durchmesser von etwa 1 cm. Aber strukturell sind Bellans Schleifen identisch mit der Realität und bieten ihm und seinen Kollegen die Möglichkeit, sie nach Belieben zu simulieren und zu studieren.

„Jedes Experiment verbraucht etwa so viel Energie, wie es nötig ist, eine 100-Watt-Glühbirne etwa eine Minute lang zu betreiben, und es dauert nur ein paar Minuten, um den Kondensator aufzuladen“, sagt Bellan, der leitende Autor der Forschungsarbeit des Teams. Bellan nimmt jede Schleife mit einer Kamera auf, die 10 Millionen Bilder pro Sekunde aufnehmen kann, und studiert dann die resultierenden Bilder.

Zu den jüngsten Entdeckungen gehört, dass Sonnenkoronaschleifen keine einzelne Struktur zu sein scheinen, sondern aus fraktal geflochtenen Strängen bestehen, die einem großen Seil ähneln.

„Wenn Sie ein Stück Seil sezieren, sehen Sie, dass es aus Zöpfen einzelner Stränge besteht“, sagt Yang Zhang, Doktorand und Hauptautor des Naturastronomie Papier. „Ziehen Sie diese einzelnen Stränge auseinander, und Sie werden sehen, dass es sich um Zöpfe aus noch kleineren Strängen handelt, und so weiter. Plasmaschleifen scheinen auf die gleiche Weise zu funktionieren.“

Wie sich herausstellt, ist diese Struktur wichtig für die Erzeugung von energetischen Teilchen und Röntgenausbrüchen im Zusammenhang mit Sonneneruptionen. Plasma ist ein starker elektrischer Leiter – denken Sie an Leuchtreklamen, die mit Plasma gefüllt sind und aufleuchten, wenn Strom durchfließt. Wenn jedoch zu viel Strom versucht, durch eine Solarkoronaschleife zu fließen, wird die Struktur beeinträchtigt. Die Schlaufe entwickelt einen Knick – eine korkenzieherförmige Instabilität – und einzelne Stränge beginnen zu brechen. Jeder neue gebrochene Strang belastet dann die verbleibenden.

„Wie bei einem zu straff gespannten Gummiband wird die Schlaufe länger und dünner, bis die Stränge einfach reißen“, sagt Seth Pree, Postdoktorand in angewandter Physik und Materialwissenschaften und Mitautor der Arbeit.

Das Team untersuchte den Prozess Mikrosekunde für Mikrosekunde und stellte eine negative Spannungsspitze fest, die mit einem Röntgenblitz genau in dem Moment verbunden war, in dem ein Strang brach. Diese Spannungsspitze ist vergleichbar mit dem Druckabfall, der sich an der Verengungsstelle einer Wasserleitung aufbaut. Das elektrische Feld dieser Spannungsspitze beschleunigt geladene Teilchen auf extreme Energie, und dann werden Röntgenstrahlen emittiert, wenn die energiereichen Teilchen langsamer werden.

Darüber hinaus durchkämmte Zhang Bilder von Sonneneruptionen und konnte eine Knickinstabilität ähnlich der im Labor erzeugten dokumentieren, die mit einem anschließenden Röntgenausbruch verbunden war.

Als nächstes plant das Team zu untersuchen, wie separate Plasmaschleifen zusammengeführt und zu verschiedenen Konfigurationen reorganisiert werden können. Sie sind daran interessiert zu erfahren, ob es bei dieser Art von Interaktion auch zu Energieausbrüchen kommt.