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Astronomie+Physik

Heizung des Sonnenwinds enträtselt

MMS-Mission
Die Raumsonden der MMS-Mission sammeln Daten über Sonnenwind und Magnetfeld (Bild: NASA)

Ob im Sonnenwind, in interstellaren Gaswolken oder in glühenden Überresten von Sternenexplosionen: 99 Prozent der Materie im Kosmos besteht aus Plasma. Doch erst jetzt haben Forscher einen fundamentalen Prozess dieser kosmischen Plasmen aufgeklärt: Wie in ihnen Energie auf die geladenen Teilchen übertragen wird. Satellitenmessungen im Sonnenwind enthüllten, dass die schnellen Elektronen dieses Plasmas wie Surfer mit den Wellen elektromagnetischer Turbulenzen mitgerissen werden – und das liefert den Teilchen ihre Energie.

Von einem Plasma spricht man immer dann, wenn die Atome oder Moleküle eines Gases eines oder mehrere Elektronen abgegeben haben und dadurch ionisiert sind. Gleichzeitig bewegen sich die abgegebenen Elektronen ungebunden zwischen diesen Ionen umher. Der Energiegehalt der verschiedenen geladenen Teilchen bestimmt, ob ein Plasma extrem heiß ist wie beispielsweise in der Korona der Sonne, oder aber eher kühl wie die Plasmen in Leuchtstoffröhren. Besonders heiß und energiereich ist ein Plasma dann, wenn beide Teilchensorten im thermischen Gleichgewicht stehen und stark beschleunigt sind. Wie jedoch die Heizung verschiedener kosmischer Plasma-Varianten im Einzelnen funktioniert, ist bislang nur in Teilen geklärt.

Wie ein Surfer auf der Welle

Einer bereits 1946 aufgestellten Theorie nach ist die sogenannte Landau-Dämpfung entscheidend an der Aufheizung von Plasma im Sonnenwind beteiligt. Diesem vom russischen Physiker Lew Landau aufgestellten Prinzip zufolge können die Wellen elektromagnetischer Felder im Plasma Energie an die Plasmateilchen abgeben und diese so beschleunigen. Die Welle wird im Gegenzug durch diesen Energieverlust gedämpft. Dieser Prozess erklärt damit, dass schon Turbulenzen im Plasma ausreichen können, um dessen Teilchen aufzuheizen. „Wenn sich Elektronen mit genau der richtigen Geschwindigkeit mit den durch das Plasma ziehenden Wellen mitbewegen, können sie von diesen beschleunigt werden – wie ein Surfer von einer Welle mitgerissen wird“, erklärt Co-Autor Greg Howes von der Queen Mary University of London.

Das Problem jedoch: Zwar konnte die Landau-Dämpfung bisher bei einfachen, relativ einfachen Plasmen nachgewiesen werden, nicht aber im hochgradig turbulenten und komplexen Plasma des Sonnenwinds und anderen kosmischen Plasmavarianten. Genau ist nun jedoch Howes, seinem Kollegen und Erstautor Christopher Chen und ihrem Team gelungen. Für ihre Studie hatten sie Daten der Magnetospheric Multi-Scale (MMS) Mission der NASA ausgewertet. Diese besteht aus vier Raumsonden, die die Erde auf einer stark elliptischen Umlaufbahn umkreisen und mithilfe langer Antennen magnetische und elektrische Felder im Sonnenwind und der Magnetsphäre der Erde messen.

Nachweis geglückt

Durch die Kombination mit einer speziellen Analysetechnik gelang es den Wissenschaftlern, diesen Daten Indizien für die Landau-Dämpfung im Plasma des Sonnenwinds zu entlocken. „Wir haben damit die erste direkte Messung der Prozesse durchgeführt, die der turbulenten Heizung von natürlich vorkommenden astrophysikalischen Plasmen zugrunde liegen“, sagt Chen. Damit ist nun klar, dass die Teilchen des Sonnenwinds zumindest einen Teil ihrer Energie durch die Turbulenzen dieses Stroms geladener Teilchen erhalten. „Diese Turbulenzen übertragen Energie an die Partikel im Plasma und führen so zur Aufheizung und Energetisierung“, erklärt Chen.

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Spannend ist dies vor allem deshalb, weil gerade das Verhalten von Plasma im Kosmos noch viele Fragen aufwirft. So ist beispielsweise noch immer unklar, woher die Korona der Sonne ihre Hitze bekommt. Während die Sonnenoberfläche nur rund 6000 Grad heiß ist, herrschen in der Sonnenkorona Temperaturen von mehr als einer Million Grad. Weil aber das zweite Gesetz der Thermodynamik einen Wärmefluss vom kühleren zum wärmeren Medium verbietet, kann die Hitze der Korona nur aus ihr selbst kommen. Bisher ist jedoch strittig, ob diese koronare Heizung durch Plasmawellen oder aber Wechselwirkungen zwischen den Magnetfeldlinien der Sonne zustande kommt. Die für die aktuelle Studie verwendete Methode könnte nach Hoffnung von Chen und seinem Team dabei helfen, diese Frage zu klären. Die dafür nötigen Daten könnte schon bald die Parker Solar Probe liefern, eine NASA-Raumsonde, die zurzeit im Außenbereich der Sonnenkorona unterwegs ist.

Quelle: Christopher Chen (Queen Mary University of London) et al., Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-019-08435-3

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