Neues theoretisches Modell berücksichtigt Sonnenrotation und Magnetfeld

In den frühen 2000er Jahren revidierte ein neuer Datensatz die chemische Häufigkeit auf der Sonnenoberfläche und widersprach den Werten, die von den von Astrophysikern verwendeten Standardmodellen vorhergesagt wurden. Oft in Frage gestellt, schafften es diese neuen Reichtümer durch mehrere neue Analysen. Da sie sich als richtig erwiesen, war es also an den Sonnenmodellen, sich anzupassen, zumal sie als Referenz für das Studium der Sterne im Allgemeinen dienen. Ein Team von Astronomen der Universität Genf, Schweiz (UNIGE) hat in Zusammenarbeit mit der Université de Liège ein neues theoretisches Modell entwickelt, das einen Teil des Problems löst: unter Berücksichtigung der Rotation der Sonne, die sich im Laufe der Zeit verändert, und ihrer Magnetfelder erzeugt, konnten sie den chemischen Aufbau der Sonne erklären. Die Ergebnisse dieser Studie sind in veröffentlicht Naturastronomie.

„Die Sonne ist der Stern, den wir am besten charakterisieren können, daher stellt sie einen grundlegenden Test für unser Verständnis der Sternphysik dar. Wir haben Häufigkeitsmessungen ihrer chemischen Elemente, aber auch Messungen ihrer inneren Struktur, wie im Fall der Erde, zu verdanken Seismologie“, erklärt Patrick Eggenberger, Forscher am Institut für Astronomie der UNIGE und Erstautor der Studie.

Diese Beobachtungen sollten mit den Ergebnissen übereinstimmen, die von den theoretischen Modellen vorhergesagt wurden, die darauf abzielen, die Evolution der Sonne zu erklären. Wie verbrennt die Sonne ihren Wasserstoff im Kern? Wie wird dort Energie erzeugt und dann an die Oberfläche transportiert? Wie driften chemische Elemente innerhalb der Sonne, beeinflusst sowohl durch Rotation als auch durch Magnetfelder?

Das Standard-Solarmodell

„Das bisher von uns verwendete Standard-Sonnenmodell betrachtet unseren Stern sehr vereinfacht einerseits hinsichtlich des Transports der chemischen Elemente in den tiefsten Schichten, andererseits hinsichtlich der Rotation und der inneren Magnetfelder die bisher völlig vernachlässigt wurden“, erklärt Gaël Buldgen, Forscher an der Abteilung für Astronomie der UNIGE und Mitautor der Studie.

Alles funktionierte jedoch gut, bis Anfang der 2000er Jahre ein internationales Wissenschaftsteam die Sonnenhäufigkeiten dank einer verbesserten Analyse drastisch revidierte. Die neue Fülle verursachte tiefe Wellen in den Gewässern der Sonnenmodellierung. Von da an konnte kein Modell mehr die Daten der Helioseismologie (Analyse der Sonnenschwingungen) reproduzieren, insbesondere die Menge an Helium in der Sonnenhülle.

Ein neues Modell und die Schlüsselrolle von Rotation und Magnetfeldern

Das vom UNIGE-Team entwickelte neue Sonnenmodell berücksichtigt nicht nur die Rotationsentwicklung, die in der Vergangenheit wahrscheinlich schneller war, sondern auch die dadurch verursachten magnetischen Instabilitäten. „Wir müssen die Auswirkungen von Rotation und Magnetfeldern auf den Transport chemischer Elemente in unseren Sternmodellen unbedingt gleichzeitig berücksichtigen. Er ist für die Sonne wie für die Sternphysik im Allgemeinen wichtig und hat einen direkten Einfluss auf die chemische Entwicklung des Universums, vorausgesetzt dass die für das Leben auf der Erde entscheidenden chemischen Elemente im Kern der Sterne gekocht werden“, sagt Patrick Eggenberger.

Das neue Modell sagt nicht nur die Konzentration von Helium in den äußeren Schichten der Sonne richtig voraus, sondern spiegelt auch die von Lithium wider, die sich bisher einer Modellierung widersetzte. „Die Häufigkeit von Helium wird durch das neue Modell korrekt wiedergegeben, da die durch die Magnetfelder erzwungene Innenrotation der Sonne eine turbulente Vermischung erzeugt, die verhindert, dass dieses Element zu schnell in Richtung Sternzentrum fällt; gleichzeitig wird die Häufigkeit von Lithium beobachtet auf der Sonnenoberfläche wird ebenfalls reproduziert, weil es durch dieselbe Vermischung in die heißen Regionen transportiert und dort zerstört wird“, erklärt Patrick Eggenberger

Das Problem ist nicht vollständig gelöst

Das neue Modell löst jedoch nicht alle Herausforderungen der Helioseismologie: „Dank der Helioseismologie wissen wir innerhalb von 500 km, in welcher Region die konvektiven Bewegungen der Materie beginnen, 199.500 km unter der Sonnenoberfläche die Sonne sagt einen Tiefenversatz von 10.000 km voraus“, sagt Sébastien Salmon, Forscher an der UNIGE und Mitautor der Veröffentlichung. Wenn das Problem mit dem neuen Modell immer noch besteht, öffnet es eine neue Tür des Verständnisses: „Dank des neuen Modells bringen wir Licht in die physikalischen Prozesse, die uns helfen können, diesen kritischen Unterschied aufzulösen.“

Aktualisierung sonnenähnlicher Sterne

„Wir werden die Massen, Radien und Alter der bisher untersuchten sonnenähnlichen Sterne revidieren müssen“, beschreibt Gaël Buldgen die nächsten Schritte. In der Tat wird die Sonnenphysik in den meisten Fällen auf Fallstudien in der Nähe der Sonne übertragen. Wenn also die Modelle zur Analyse der Sonne modifiziert werden, muss diese Aktualisierung auch für andere Sterne, die unserem ähnlich sind, durchgeführt werden.

Patrick Eggenberger sagt: „Das ist besonders wichtig, wenn wir beispielsweise im Rahmen der PLATO-Mission die Wirtssterne von Planeten besser charakterisieren wollen.“ Dieses Observatorium aus 24 Teleskopen soll 2026 zum Lagrange-Punkt 2 (1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, gegenüber der Sonne) fliegen, um kleine Planeten zu entdecken und zu charakterisieren und die Eigenschaften ihres Wirtssterns zu verfeinern.