Studienergebnisse zeigen, dass die kälteste Region der Sonne ein Geheimnis für die Millionen-Grad-Erwärmung der Korona birgt

Fast 5.000 Kilometer über der Sonnenoberfläche stellt sich für Sonnenphysiker eine jahrhundertealte Frage: Wie sind die Temperaturen in der oberen Atmosphäre (Korona) des Sterns hunderte Male heißer als die Temperaturen an der sichtbaren Oberfläche der Sonne?

Ein internationales Wissenschaftlerteam hat eine neue Antwort auf die Frage – die allgemein als Problem der koronalen Erwärmung der Sonne bezeichnet wird – mit neuen Beobachtungsdaten, die mit dem 1,6-Meter-Goode-Solarteleskop (GST) am Big Bear Solar Observatory (BBSO), das von betrieben wird, gewonnen wurden NJITs Center for Solar Terrestrial Research (CSTR).

In einer Studie veröffentlicht in Naturastronomiehaben Forscher die Entdeckung intensiver Wellenenergie aus einer relativ kühlen, dunklen und stark magnetisierten Plasmaregion auf der Sonne enthüllt, die in der Lage ist, die Sonnenatmosphäre zu durchqueren und innerhalb der Korona Temperaturen von einer Million Grad Kelvin aufrechtzuerhalten.

Forscher sagen, dass der Fund der neueste Schlüssel zur Lösung einer Vielzahl verwandter Geheimnisse im Zusammenhang mit dem nächsten Stern der Erde ist.

„Das Problem der koronalen Erwärmung ist eines der größten Rätsel in der Sonnenphysikforschung. Es besteht seit fast einem Jahrhundert“, sagte Wenda Cao, BBSO-Direktorin und NJIT-Physikprofessorin und Mitautorin der Studie. „Mit dieser Studie haben wir neue Antworten auf dieses Problem, die der Schlüssel zur Lösung vieler verwirrender Fragen zum Energietransport und -verlust in der Sonnenatmosphäre sowie zur Natur des Weltraumwetters sein könnten.“

Mithilfe der einzigartigen Bildgebungsfähigkeiten von GST war das Team um Yuan Ding zunächst in der Lage, Querschwingungen im dunkelsten und kältesten Bereich der Sonne, dem sogenannten Kernschatten des Sonnenflecks, zu erfassen.

Solche dunklen Sonnenfleckenregionen können entstehen, wenn das starke Magnetfeld des Sterns die Wärmeleitung unterdrückt und die Energiezufuhr vom heißeren Inneren zur sichtbaren Oberfläche (oder Photosphäre) behindert, wo die Temperaturen etwa 5.000 Grad Celsius erreichen.

Um dies zu untersuchen, maß das Team die Aktivität im Zusammenhang mit zahlreichen dunklen Merkmalen, die in einem aktiven Sonnenfleck entdeckt wurden, der am 14. Juli 2015 vom GST des BBSO aufgezeichnet wurde – einschließlich oszillierender Querbewegungen von Plasmafibrillen innerhalb des Kernschattens des Sonnenflecks, in dem das Magnetfeld mehr als 6.000-mal stärker ist Die der Erde.

„Fibrillen erscheinen als kegelförmige Strukturen mit einer typischen Höhe von 500–1.000 km und einer Breite von etwa 100 km“, erklärte Vasyl Yurchyshyn, NJIT-CSTR-Forschungsprofessor für Heliophysik und leitender Wissenschaftler des BBSO. „Ihre Lebensdauer beträgt zwei bis drei Minuten und sie neigen dazu, an derselben Stelle in den dunkelsten Teilen des Kernschattens wieder aufzutauchen, wo die Magnetfelder am stärksten sind.“

„Diese dunklen dynamischen Fibrillen wurden schon seit langem im Kernschatten des Sonnenflecks beobachtet, aber zum ersten Mal konnte unser Team ihre seitlichen Schwingungen nachweisen, die Manifestationen schneller Wellen sind“, sagte Cao. „Diese anhaltenden und allgegenwärtigen Transversalwellen in stark magnetisierten Fibrillen transportieren Energie durch vertikal verlängerte magnetische Kanäle nach oben und tragen zur Erwärmung der oberen Sonnenatmosphäre bei.“

Durch eine numerische Simulation dieser Wellen schätzt das Team, dass die transportierte Energie bis zu tausendmal stärker sein könnte als die Energieverluste im Plasma der aktiven Region der oberen Sonnenatmosphäre – und dabei Energie abgibt, die bis zu vier Größenordnungen stärker ist als die zum Aufrechterhalten erforderliche Erwärmungsrate die glühenden Plasmatemperaturen in der Korona in die Höhe treiben.

„Überall auf der Sonne wurden verschiedene Wellen entdeckt, aber typischerweise ist ihre Energie zu gering, um die Korona erhitzen zu können“, sagte Yurchyshyn. „Die im Kernschatten des Sonnenflecks entdeckten schnellen Wellen sind eine anhaltende und effiziente Energiequelle, die möglicherweise für die Erwärmung der Korona über Sonnenflecken verantwortlich ist.“

Forscher sagen, dass die neuen Erkenntnisse vorerst nicht nur unsere Sicht auf den Kernschatten der Sonne revolutionieren, sondern auch einen weiteren wichtigen Schritt darstellen, um das Verständnis der Physiker über die Energietransportprozesse und die Erwärmung der Sonnenkorona zu verbessern.

Es bestehen jedoch weiterhin Fragen zum Problem der koronalen Erwärmung.

„Während diese Erkenntnisse einen Schritt vorwärts zur Lösung des Rätsels darstellen, ist der Energiefluss, der von Sonnenflecken ausgeht, möglicherweise nur für die Erwärmung jener Schleifen verantwortlich, die in Sonnenflecken verwurzelt sind“, sagte Cao. „Mittlerweile gibt es weitere sonnenfleckenfreie Regionen, die mit heißen Koronarschleifen in Zusammenhang stehen und noch auf ihre Erklärung warten. Wir gehen davon aus, dass GST/BBSO weiterhin die höchstaufgelösten Beobachtungsbeweise liefern wird, um weitere Geheimnisse unseres Sterns zu entschlüsseln.“