Wie 1.000 Studenten dabei halfen, ein ewiges Rätsel um die Sonne zu lösen

Für eine neue Studie rekrutierte ein Team von Physikern rund 1.000 Studenten an der University of Colorado Boulder, um bei der Beantwortung einer der beständigsten Fragen zur Sonne zu helfen: Wie wird die äußerste Atmosphäre des Sterns, oder „Corona“, so heiß?

Die Forschung stellt eine nahezu beispiellose Meisterleistung der Datenanalyse dar: Von 2020 bis 2022 untersuchte die kleine Armee von hauptsächlich Studenten im ersten und zweiten Jahr die Physik von mehr als 600 echten Sonneneruptionen – gigantische Energieausbrüche aus der aufgewühlten Korona der Sonne.

Die Forscher, darunter 995 Studenten und Doktoranden, veröffentlichten ihre Ergebnisse in Das Astrophysikalische Journal. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Sonneneruptionen möglicherweise nicht für die Überhitzung der Sonnenkorona verantwortlich sind, wie eine populäre Theorie in der Astrophysik besagt.

„Wir wollten diesen Studenten wirklich betonen, dass sie echte wissenschaftliche Forschung betreiben“, sagte James Mason, Hauptautor der Studie und Astrophysiker am Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University.

Die Co-Autorin der Studie, Heather Lewandowski, stimmte zu und stellte fest, dass die Studie ohne die Studenten, die geschätzte 56.000 Arbeitsstunden zu dem Projekt beigetragen haben, nicht möglich wäre.

„Es war eine enorme Anstrengung aller Beteiligten“, sagte Lewandowski, Professor für Physik und Fellow von JILA, einem gemeinsamen Forschungsinstitut von CU Boulder und dem National Institute of Standards and Technology (NIST).

Lagerfeuer Physik

Die Studie konzentriert sich auf ein Rätsel, das selbst hochrangige Astrophysiker am Kopf kratzen lässt.

Teleskopbeobachtungen deuten darauf hin, dass die Korona der Sonne bei Temperaturen von Millionen Grad Fahrenheit brutzelt. Im Gegensatz dazu ist die Oberfläche der Sonne viel kühler und registriert nur Tausende von Grad.

„Das ist, als würde man direkt vor einem Lagerfeuer stehen, und wenn man sich zurückzieht, wird es viel heißer“, sagte Mason. „Das macht keinen Sinn.“

Einige Wissenschaftler vermuten, dass besonders winzige Flares oder „Nanoflares“, die zu klein sind, um selbst von den fortschrittlichsten Teleskopen entdeckt zu werden, dafür verantwortlich sein könnten. Wenn es solche Ereignisse gibt, können sie nahezu konstant über der Sonne auftauchen. Und die Theorie besagt, dass sie sich summieren könnten, um die Korona warm zu machen. Stellen Sie sich vor, einen Topf Wasser mit Tausenden von einzelnen Streichhölzern zum Kochen zu bringen.

Die Ergebnisse der Studenten lassen diese Theorie in Zweifel ziehen, sagte Mason, obwohl er glaubt, dass es noch zu früh ist, um dies mit Sicherheit zu sagen.

„Ich hatte gehofft, dass unser Ergebnis anders ausfallen würde. Ich habe immer noch das Gefühl, dass Nanoflares ein wichtiger Treiber der koronalen Erwärmung sind“, sagte Mason. „Aber die Beweise aus unserem Papier legen das Gegenteil nahe. Ich bin Wissenschaftler. Ich muss dorthin gehen, wo die Beweise hindeuten.“

Spitzenzeiten der Pandemie

Die Bemühungen begannen auf dem Höhepunkt der COVID-19-Pandemie.

Im Frühjahr 2020 hatte die CU Boulder, wie die meisten Universitäten im ganzen Land, ihre Kurse vollständig online verlegt. Lewandowski stand jedoch vor einem Dilemma: Sie unterrichtete im Herbst einen Kurs über praktische Forschung mit dem Titel „Experimental Physics I“ und hatte nichts für ihre Schüler zu tun.

„Das war die Hochphase der Pandemie“, sagte Lewandowski. „Es ist manchmal schwer, sich an das Leben von damals zu erinnern. Diese Studenten waren sehr isoliert. Sie waren wirklich gestresst.“

Mason, der damals Forscher am Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP) an der CU Boulder war, bot eine Idee an.

Der Wissenschaftler wollte schon lange in die Mathematik der Sonneneruptionen eintauchen. Insbesondere hatte er versucht, einen Datensatz mit Tausenden von Eruptionen zu untersuchen, die zwischen 2011 und 2018 aufgetreten und von Instrumenten im Weltraum entdeckt worden waren. Dazu gehörten die Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES)-Serie der National Oceanic and Atmospheric Administration und das Miniature X-ray Solar Spectrometer (MinXSS) der NASA, eine CubeSat-Mission, die am LASP entwickelt und gebaut wurde.

Das Problem: Es gab einfach zu viele Fackeln, um sie alleine zu untersuchen.

Da wandten sich Mason und Lewandowski hilfesuchend an die Schüler.

Mason erklärte, dass man Details über das Verhalten von Nanoflares ableiten kann, indem man die Physik größerer Flares untersucht, die Wissenschaftler seit Jahrzehnten direkt beobachten.

Dazu teilten sich die Studierenden in Dreier- oder Vierergruppen auf und wählten eine normale Eruption aus, die sie im Laufe des Semesters analysieren wollten. Dann summierten sie durch eine Reihe langwieriger Berechnungen, wie viel Wärme jedes dieser Ereignisse in die Korona der Sonne abgeben könnte.

Ihre Berechnungen ergaben ein klares Bild: Die Summe der Nanoflares der Sonne wäre wahrscheinlich nicht stark genug, um ihre Korona auf Millionen Grad Fahrenheit aufzuheizen.

Pädagogische Erfahrungen

Was die Korona so heiß macht, ist nicht klar. Eine konkurrierende Theorie besagt, dass Wellen im Magnetfeld der Sonne Energie aus dem Inneren der Sonne in ihre Atmosphäre transportieren.

Aber die eigentlichen Ergebnisse der Studie sind nicht die einzigen wichtigen Ergebnisse. Lewandowski sagte, dass ihre Studenten Möglichkeiten hatten, die für Wissenschaftler und Ingenieure so früh in ihrer Karriere selten sind – aus erster Hand etwas über die kollaborative und oft chaotische Art und Weise zu erfahren, wie wissenschaftliche Forschung in der realen Welt funktioniert.

„Wir hören immer noch, wie Studenten in den Hallen über diesen Kurs sprechen“, sagte sie. „Unsere Schüler konnten eine Gemeinschaft aufbauen und sich in einer wirklich schwierigen Zeit gegenseitig unterstützen.“