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Astronomie

„Tiefe“ Schwingungen der Sonne entdeckt

Darstellung der beobachteten Oszillation (links) im Vergleich zum Modell der Prozesse auf der Sonne und in ihrem Inneren. (Bild: MPS/Z-C Liang)

Mit fünf Kilometern pro Stunde sind sie unterwegs: Forscher berichten über gewaltige Wirbelbewegungen der Sonnenoberfläche, die auf sehr langperiodische Schwingungen des Sterns zurückzuführen sind. Durch Computersimulationen konnten sie verdeutlichen, dass die neu entdeckte Wellenform offenbar durch die sogenannte differenzielle Rotation der Sonne hervorgerufen wird. Die Erkenntnisse könnten nun der weiteren Erforschung der inneren Struktur und Dynamik unseres Muttersterns dienen, sagen die Wissenschaftler.

Ströme aus brodelnder Glut: Die Oberfläche und auch das Innere der Sonne sind ständig in Bewegung. Diese Dynamik kann charakteristische Schwingungen hervorrufen: Bereits seit den 1960er-Jahren ist bekannt, dass die Sonne „hohe Klänge“ erzeugt. Dabei regen Plasmaströme nahe der Sonnenoberfläche Millionen von sogenannten Moden akustischer Wellen mit kurzen Perioden von etwa fünf Minuten an. Der Begriff Mode beschreibt dabei die zeitlichen Merkmale von Wellen.

Diese schnellen Schwingungen der Sonne werden bereits seit Mitte der 1990er-Jahre von erdgebundenen Teleskopen und Weltraumobservatorien erfasst, denn sie können wichtige Informationen liefern: Sie ermöglichen Rückschlüsse auf innere Merkmale der Sonne – ähnlich wie Seismologen das Innere der Erde anhand von Effekten von Erdbeben erforschen. Durch die sogenannte Helioseismologie konnten Forscher bereits die Rotation in Abhängigkeit von der Tiefe und der heliografischen Breite dokumentieren: Die Materie der Sonne bewegt sich demnach in verschiedenen Breiten unterschiedlich schnell – dies wird als differenzielle Rotation bezeichnet.

Langperiodischen Schwingungen auf der Spur

Schon vor mehr als 40 Jahren wurde theoretisch aufgezeigt, dass Sterne neben den kurzperiodischen auch Schwingungen mit deutlich längeren Perioden aufweisen müssten. Bisher ließen sich diese Effekte aber nicht klar nachweisen, denn sie sind vergleichsweise schwer fassbar. Wie das internationale Team um Laurent Gizon vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen (MPS) erklärt, war es für den Nachweis der langperiodischen Schwingungen nötig, die horizontalen Bewegungen der Sonnenoberfläche über viele Jahre hinweg zu beobachten. Genau solche Daten lagen nun vor: Die Forscher konnten Informationen der NASA-Raumsonde Solar Dynamics Observatory (SDO) auswerten, die Beobachtungen der Sonne in einen Zeitraum von zehn Jahren umfassen.

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So konnten die Wissenschaftler nun einige Dutzend Schwingungen nachweisen, die den vorhergesagten langperiodischen Versionen entsprechen. Einige haben dabei ihre maximalen Strömungsgeschwindigkeiten an den Polen, andere in den mittleren Breitengraden und wieder andere in der Nähe des Äquators der Sonne. „Die langperiodischen Oszillationen manifestieren sich als sehr langsame Wirbelbewegungen an der Sonnenoberfläche mit Geschwindigkeiten von etwa fünf Kilometern pro Stunde. Das ist etwa so schnell wie ein Mensch geht“, sagt Co-Autor Zhi-Chao Liang vom MPS.

Um die neu entdeckten Schwingungen genauer zu charakterisieren, verglichen die Wissenschaftler ihre Beobachtungsdaten mit den Ergebnissen von Computermodellen zu den Dynamiken der Sonne. In die Simulationen flossen Daten zum inneren Aufbau der Sonne, den Merkmalen der konvektiven Strömungen in den oberen Schichten sowie Informationen zur differenziellen Rotation ein, die aus der helioseismologischen Forschung stammen. „Die Modelle erlaubten es uns, in das Innere der Sonne zu blicken und die volle dreidimensionale Struktur der Schwingungen aufzuzeigen“, sagt Co-Autor Yuto Bekki vom MPS.

Potenzial für die Sonnenforschung

Dabei wurde deutlich: Die Oberflächen-Geschwindigkeiten im Modell stimmen gut mit denen der beobachteten Schwingungen überein. Aus den Simulationen ging auch hervor, dass die Wellenformationen bis in eine Tiefe von 200.000 Kilometer unter die Sonnenoberfläche reichen. Vor allem zeichnete sich aber ab: „All diese neuen Oszillationen, die wir auf der Sonne beobachten, werden stark von der differenziellen Rotation beeinflusst“, sagt Co-Autor Damien Fournier vom MPS. Die Abhängigkeit der Sonnenrotation vom Breitengrad bestimmt dabei, wo die Geschwindigkeit der Moden am größten ist. „Die Schwingungen hängen zudem empfindlich von Eigenschaften des Sonneninnern ab. Insbesondere von der Stärke der turbulenten Bewegungen und der damit verbundenen Viskosität des Sonnenmediums sowie von der Stärke des konvektiven Antriebs“, ergänzt sein Kollege Robert Cameron vom MPS.

Damit wird deutlich: Die Erforschung der langperiodischen Schwingungen könnte auch neue Einblicke in das Innere der Sonne ermöglichen. „So wie wir mit der Helioseismologie akustische Schwingungen nutzen, um mehr über die Vorgänge im Sonneninnern zu erfahren, können wir die langperiodischen Schwingungen nutzen, um mehr über die turbulenten Prozesse zu lernen“, sagt Cameron. Erstautor Gizon ergänzt: „Die Entdeckung einer neuen Art von Sonnenschwingungen ist sehr aufregend. Sie erlaubt uns, auf Eigenschaften wie die Stärke des konvektiven Antriebs zu schließen, die letztlich den solaren Dynamo steuern.“.

Quelle: Max-Planck-Gesellschaft, NASA, Fachartikel: Astronomy & Astrophysics, doi: 10.1051/0004-6361/202141462

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