Neue Einblicke in die Sonnenkorona - wissenschaft.de
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Astronomie+Physik

Neue Einblicke in die Sonnenkorona

Parker Solar Probe
Die NASA-Raumsonde Parker Solar Probe vor der Sonne. (Bild: NASA/Johns Hopkins APL/ Steve Gribben)

Die NASA-Raumsonde „Parker Solar Probe“ kommt unserer Sonne so nah wie vor ihr keine andere. Denn seit 2018 umkreist sie unseren Heimatstern in immer geringerem Abstand und taucht dabei sogar in die Sonnenkorona ein. Jetzt liegen die Messdaten der ersten drei Vorbeiflüge vor – und liefern ganz neue Einblicke in das Geschehen der äußeren Sonnenatmosphäre. So können Forscher auf Basis dieser Daten nun erstmals belegen, dass der langsamere Anteil des Sonnenwinds aus kleinen Löchern in der Sonnenkorona austritt und dass sich das Magnetfeld dieser Plasmaströme überraschend oft und schnell umkehrt. Erstmals gelang zudem die Beobachtung sogenannter Magnetinseln – von der Sonne ausgeschleuderte Ringe aus geschlossenen Magnetfeldlinien.

Millionen Grad heiß, von energiereicher Strahlung erfüllt und Ausgangsort extrem beschleunigter Partikelströme: Die Korona, die äußere Atmosphäre der Sonne, ist ein Ort der Extreme – und sie gibt bis heute Rätsel auf. So können Forscher bisher nur darüber spekulieren, warum die Korona Millionen Grad heißer ist als die Sonnenoberfläche und welche physikalischen Prozesse sie derart aufheizen. Weitgehend unklar ist auch, wie die Teilchen des Sonnenwinds in der Korona beschleunigt werden und wo der langsamere, energieärmere Teil dieser Teilchenströme seinen Ursprung hat. Um Antworten auf diese Fragen zu liefern, hat die NASA im Sommer 2018 die „Parker Solar Probe“ auf den Weg zur Sonne geschickt. Als erste Raumsonde überhaupt umkreist sie die Sonne auf exzentrischen Orbits, die sie so weit in die Korona hineinbringen wie kein anderes menschengemachtes Objekt zuvor. Der Abstand der Sonde von der Sonnenoberfläche verringert sich bei jedem nahen Vorbeiflug ein wenig mehr, von anfangs 35 Sonnenradien bis auf nur noch neun – letzteres entspricht nur gut sechs Millionen Kilometern Abstand.

Teilchenstrom aus dem Koronaloch

Jetzt berichten Wissenschaftler in vier Fachartikeln in „Nature“ über die Einblicke, die sie aus den ersten drei Vorbeiflügen der Parker Solar Probe gewonnen haben. „Schon diese ersten Begegnungen der Solar Probe waren spektakulär“, sagt Stuart Bale von der University of California in Berkeley, wissenschaftlicher Leiter eines der Messinstrumente an Bord der Sonde. „Wir sehen die magnetische Struktur der Korona, wir sehen impulsive Aktivität und Teilchenjets mit scharfen Kehren. Und wir sind überrascht von der Heftigkeit der Staubumgebung in der inneren Heliosphäre.“ Bale und sein Team haben sich vor allem mit dem bisher ungeklärten Ursprung des langsamen Sonnenwinds beschäftigt – dem weniger als 500 Kilometer pro Sekunde schnellen Teilchenstrom, der auch ruhigen Phasen der Sonnenaktivität von unserem Stern ausgeht. Im Gegensatz zum schnelleren Anteil des Sonnenwinds geht er nicht von den Polen der Sonne aus, sondern flächig von fast der gesamten Sonnenoberfläche. Bisher jedoch haben die Rotation der Sonne und die Turbulenzen ihres Magnetfelds den genauen Entstehungsort dieser Teilchen verschleiert.

Die Daten der Polar Parker Probe jedoch haben nun dieses Rätsel gelöst. Denn die Sonde passte bei jedem der nahen Vorbeiflüge ihr Flugtempo an die Rotationsgeschwindigkeit der Sonne an. Dadurch konnte sie rund eine Woche lang über einen bestimmten Bereich der Sonnenoberfläche quasi „stillstehen“. Das ermöglichte es ihr, die magnetischen Felder und Teilchenströme ohne den Störfaktor der Rotation zu vermessen – und erste Hinweise auf den Ursprungsort des langsamen Sonnenwinds zu gewinnen. Demnach kommen diese Teilchen aus sogenannten koronaren Löchern, Bereichen, die etwas kühler sind als das umgebende Sonnenplasma. „Der Sonnenwind strömt in einem glatten Strom aus diesen kleinen Löchern heraus“, berichtet Bale. Überlagert wird dieser gleichmäßige Fluss jedoch schon kurz darauf von großen Wellen und abrupten, kurzlebigen Umkehrungen der magnetischen Polarität in diesen Teilchenströmen, wie die Messdaten aufdeckten. „Damit enthüllt der Vorbeiflug der Parker Solar Probe einen weit strukturierteren und dynamischeren Sonnenwind als es von der Erde aus scheint“, sagen die Forscher.

Magnetinseln und eine staubarme Zone

Weitere Einblicke liefern die Daten des aus zwei Spezialteleskopen bestehenden WISPR-Instruments der Raumsonde. Denn mit ihnen gelang es einem Team um Russel Howard vom US Naval Research Laboratory, hochaufgelöste Detailaufnahmen der koronaren Plasmastruktur während kleinerer Sonnenausbrüche zu erstellen. Sie enthüllten, dass das Plasma dabei größtenteils strahlen- und seilförmige Teilchenströme bildet, die den röhrenartigen magnetischen Strömungen folgen. Zusätzlich aber gelang es den Forschern, ein bisher nur theoretisch postuliertes Phänomen einzufangen: die Bildung von magnetischen Inseln. „Dabei handelt es sich um eine Ansammlung grob elliptischer Magnetfeldlinien, die in sich geschlossen sind“, erklären Howard und sein Team. Der Theorie nach entstehen diese rundlichen Plasmagebilde, wenn magnetische Feldlinien bei solaren Ausbrüchen aus ihrem Umfeld herausgerissen werden und sich dann neu miteinander verknüpfen. In einigen Fällen bilden sie dann solche in sich geschlossenen „Inseln“. Dass es diese Magnetinseln tatsächlich gibt, belegen nun erstmals die Daten der Parker Solar Probe.

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Und noch etwas deckten die Daten der Raumsonde auf: Während der nahen Vorbeiflüge registrierten ihre Instrumente eine abnehmende Streuung bestimmter Strahlenwerte in Sonnennähe. Nach Angaben von Howard und seinem Team könnte dies auf ein weiteres bisher nur theoretisch postuliertes Phänomen hindeuten – eine nahezu staubfreie Zone rund um die Sonne, die von Ringen dichteren Staubs umgeben ist. Bei diesem Staub handelt es sich um weniger als einen Mikrometer kleine Partikel, die Asteroiden, Kometen und andere Himmelskörper bei Vorbeiflügen an der Sonne in der solaren Umgebung hinterlassen haben. Modelle deuten darauf hin, dass das Magnetfeld und der Sonnenwind diesen Staub aus der Sonnennähe verdrängen und weiter außen zu Bändern zusammenschieben könnten. Bisherige Sonnenobservatorien konnten dies jedoch bisher weder bestätigen noch widerlegen. Die aktuellen Daten liefern nun erste Indizien für die Existenz einer staubarmen Zone.

Die Parker Solar Probe hat ihre „Tauchgänge“ in die Sonnenkorona erst begonnen. Die Wissenschaftler aller Teams hoffen daher, dass die kommenden, näheren Vorbeiflüge der Sonde ihnen noch genauere, weitreichendere Einblicke in die extreme Welt der solaren Korona eröffnen werden.

Quelle: Nature; Stuart Bale (University of California, Berkeley) et al., doi: 10.1038/s41586-019-1818-7; Russel Howard (US Naval Research Laboratory, Washington DC) et al., doi: 10.1038/s41586-019-1807-x; Justin Kasper (University of Michigan, Ann Arbor) et al., doi: 10.1038/s41586-019-1813-z; David McComas (Princeton University) et al., doi: 10.1038/s41586-019-1811-1

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