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Astronomie|Physik

Magnetfeldumkehr in der Sonnenkorona

Switchback
Aufnahme eines Switchbacks in der Sonnenkorona.© ESA&NASA/Solar Orbiter/EUI&Metis Teams und D. Telloni et al. (2022)

Das Magnetfeld der Sonne wirkt sich nicht nur auf ihre Oberfläche aus, sondern auch auf das Verhalten des Sonnenwinds – des stetigen Stroms geladener Teilchen, der das gesamte Sonnensystem durchzieht. Jetzt hat die europäische Raumsonde „Solar Orbiter“ bei einem nahen Vorbeiflug an der Sonne erstmals optisch ein Phänomen eingefangen, das schon länger von Messinstrumenten detektiert wurde: einen solaren Switchback, eine große, s-förmige Plasmastruktur, in der sich das Magnetfeld des Sonnenwinds vorübergehend umkehrt. Der Abgleich dieser Aufnahme mit Daten weiterer Messinstrumente ermöglichte es Forschern, auch die Ursache solcher Switchbacks näher zu ergründen.

Der Sonnenwind prägt das gesamte Sonnensystem. Denn die geladenen, von elektromagnetischen Feldern begleiteten Teilchen des Sonnenwinds interagieren mit den Gashüllen der Planeten und auch den Oberflächen atmosphärenloser Himmelskörper wie dem Mond. Kollisionen mit Sonnenwindteilchen können Gasteilchen anregen und Polarlichter auslösen, aber auch chemische Reaktionen anstoßen. Der Strom des Sonnenwinds und das von ihm mitgetragene Magnetfeld bilden zudem die Heliosphäre – eine Blase, die das Sonnensystem gegenüber dem interstellaren Medium abschirmt. Doch so stetig der Sonnenwind in großem Maßstab erscheint, so turbulent und veränderlich ist er im lokalen Bereich. Eines der dabei auftretenden Phänomene sind sogenannte Switchbacks – plötzliche, lokal auftretende Umkehrungen des Sonnenwind-Magnetfelds. Die für solche Spitzkehren des Sonnenwinds typischen Veränderungen der Magnetfeld- und Teilchenrichtung hat die NASA-Raumsonde „Parker Solar Probe“ vor allem in der Sonnenkorona häufiger nachgewiesen.

S-förmige Plasmastruktur

Doch die bisherigen in-situ-Messungen solcher Switchbacks im Sonnenwind lieferten immer nur auf punktuellen Messdaten basierende Momentaufnahmen. Daher blieb bisher unklar, wie diese magnetischen Kehren entstehen und wie sie in ihrer Gesamtheit aussehen. An diesem Punkt kommt die ESA-Raumsonde „Solar Orbiter“ ins Spiel. Denn sie ist mit Teleskopen und Kameras ausgerüstet und kann so die Sonnenoberfläche, aber auch das Geschehen in der Sonnenkorona hochaufgelöst abbilden. Am 25. März 2022 hatte sich die Raumsonde der Sonne bis auf rund 48 Millionen Kilometer angenähert, als ihr Koronagraph Metis ein auffallendes Phänomen einfing: Eine s-förmige, einige hunderttausend Kilometer große Plasmastruktur, die rund 2,6 Sonnenradien über der Sonnenoberfläche auftauchte und sich mit hoher Geschwindigkeit von ihr wegbewegte.

Mit diesen Merkmalen entspricht der von Metis aufgezeichnete Knick im Plasma des Sonnenwinds ziemlich genau denen, die die solaren Switchbacks auszeichnen. Das Forschungsteam um Daniele Telloni vom Astrophysikalischen Observatorium in Turin schließt daraus, dass die Raumsonde Solar Orbiter damit erstmals ein Foto dieses Phänomens geliefert hat. Weil während der Aufnahme auch weitere Instrumente der Sonde aktiv waren, konnten die Wissenschaftler direkt nachverfolgen, wo der Ursprung dieses Switchbacks lag. „Die große Stärke von Solar Orbiter ist, dass die Raumsonde mit Instrumenten ausgerüstet ist, die gleichzeitig in unterschiedliche Schichten der Sonne schauen können“, erklärt Co-Autor Luca Teriaca vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen. „So konnten wir den Switchback erstmals bis zu seinem Ursprung verfolgen.“ Entscheidend dafür waren vor allem Aufnahmen des Extreme Ultraviolet-Imager, der die extrem kurzwellige ultraviolette Strahlung aus der inneren Korona einfängt.

Umbauarbeiten im solaren Magnetfeld

Die Aufnahmen der EUV-Kamera zeigten unterhalb des Switchbacks eine Häufung heller Plasmabögen, die sich von der Sonnenoberfläche bis in die innere Korona erstreckten. Solche koronalen Bögen treten häufig in Zusammenhang mit aktiven Regionen auf, Gebieten starker Magnetfeldstärke an der Oberfläche der Sonne. Das Plasma strömt dort entlang der gebogenen, geschlossenen Feldlinien des Sonnenmagnetfeldes. Anhand dieser Beobachtungen und ergänzender Modellsimulationen gelang es Telloni und seinem Team, die Struktur und Vorgänge zu rekonstruieren, die zur Bildung des Switchbacks geführt hatten. „Die Berechnungen deuten darauf hin, dass sich Switchbacks dort bilden, wo sich das Magnetfeld oberhalb einer aktiven Region neu formiert“, erklärt Co-Autorin Regina Aznar Cuadrado vom MPS. Dies geschieht offenbar vor allem dort, wo geschlossene Schleifen der Magnetfeldlinien mit Gebieten offener Feldlinien zusammentreffen. Diese offenen Magnetfeldlinien wirken wie riesige Plasmaleitungen, durch die Material von der Sonnenoberfläche bis in die Korona strömen kann.

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Dort, wo beide Arten von Magnetfeldlinien interagieren, strukturiert sich das Magnetfeld um: Es kommt zu einem Kontakt der Feldlinien, durch den sie sich anders als vorher verbinden. Diese Rekonnexion der Feldlinien setzt Energie frei und kann das lokale Magnetfeld im Extremfall so stark ablenken, dass eine s-förmige Spitzkehre entsteht – ein Switchback. Das Forschungsteam hofft nun darauf, dass der Solar Orbiter in den kommenden Monaten weitere Switchbacks beobachten kann. Im Idealfall breitet sich die Plasmastörung dann in Richtung der Raumsonde aus und erreicht sie schließlich. Auf diese Weise könnten nicht nur die Teleskope und Kameras der Sonde, sondern auch ihre Messinstrumente Daten aufzeichnen – und das Phänomen erstmals von seinem Entstehungsort bis in die Heliosphäre nachverfolgen.

Quelle: Daniele Telloni (Astrophysical Observatory of Torino, Turin) et al., Astrophysical Journal Letters, doi: 10.3847/2041-8213/ac8104

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