Analyse von historischen Sonnenflecken

Um Abertausende von Sonnenflecken in historischen Zeichnungen der Sonne zu zählen, sucht ein gemeinsames Forschungs­projekt des Max-Planck-Instituts für Sonnensystem­forschung (MPS) in Göttingen und des Nationalen Instituts für Astrophysik (INAF) in Italien die Unterstützung engagierter Amateur­forscherinnen und -forschern. Ihre Aufgabe ist es, die fast täglichen Beobachtungen der Sonne zu sichten, die der Astronom Angelo Secchi und seine Mitarbeiter zwischen 1853 und 1878 in detaillierten Zeichnungen festgehalten haben. Die Sammlung ist einer der umfassendsten Datensätze zu Sonnenflecken­beobachtungen des 19. Jahrhunderts. Solche historischen Daten helfen zu verstehen, wie aktiv unser Stern einst war und was er in Zukunft für uns bereit­halten könnte. Das Projekt „Sunspot Detectives“ ist nun auf der Citizen Science Plattform Zooniverse freigeschaltet.

In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts entstand in Rom eine einzigartige Sammlung von Beobachtungsdaten der Sonne. Vom neu errichteten Observatorium der Jesuitenschule Collegio Romano auf dem Dach der Kirche Sant‘Ignazio schauten der Jesuitenpater und Astronom Angelo Secchi, seine Mitarbeiter und Assistenten mehr als drei Jahrzehnte lang regelmäßig auf unser Zentralgestirn und übertrugen ihre Beobachtungen in beinahe tägliche Bleistift­zeichnungen. Mit feinen Strichen markierten sie darin unter anderem Größe, Form und Lage aller dunklen Flecke, die sie mit Hilfe ihrer Teleskope erkennen konnten. Seit vergangenem Jahr sind die mehr als 5400 Zeichnungen, die dem italienischen Nationalen Institut für Astrophysik (INAF) gehören und im Astro­nomischen Observatorium Rom bewahrt werden, vollständig digitalisiert und damit für die Forschung nutzbar. Das riesige Konvolut auszuwerten ist eine gewaltige Aufgabe. Forschende des MPS und des INAF setzen deshalb auf die Citizen Science Plattform Zooniverse. 

„Wenn wir heute auf die Sonne schauen, sehen wir nur eine Momentaufnahme, einen winzigen Ausschnitt in ihrem schon 4,6 Milliarden Jahre währenden Leben“, erklärt Theodosios Chatzistergos vom MPS, der das Zooniverse-Projekt „Sonnenfleck-Detektive“ ins Leben gerufen hat. „Erst ein Blick zurück in die Geschichte der Sonne hilft uns einzuschätzen, zu welchem Verhalten unser Stern prinzipiell fähig ist – und was in Zukunft möglicherweise von ihm zu erwarten ist“, fügt er hinzu. Bekannt ist, dass die Sonne Phasen schwächerer und stärkerer Aktivität durchläuft. Einem grob elfjährigen Aktivitätszyklus sind dabei deutlich längere Schwankungen überlagert. In aktive Phasen ist die Sonne ein Feuerwerk: Häufig kommt es zu Teilchen- und Strahlungs­ausbrüchen; der Sonnenwind, der stetige Strom geladener Teilchen von der Sonne, „weht“ besonders stark; die Gesamtstrahlungs­intensität der Sonne nimmt zu; und viele dunkle Sonnenflecke – häufig in Gruppen angeordnet – überziehen ihre Oberfläche. In ruhigen Phasen zeigen sich solch dunkle Gebiete nur selten oder bleiben ganz aus. 

In der „solaren Geschichtsforschung“ kommt den Sonnenflecken deshalb eine zentrale Rolle zu. Da sie sich schon mit einfachen Hilfsmitteln beobachten lassen, verfolgen Astronomen ihre Anzahl und Entwicklung seit mehr als vier Jahrhunderten. „Die Anzahl der Sonnenflecken ist die wichtigste historische Messgröße zur Sonnen­aktivität der Neuzeit. Sie ist das einzige direkte Maß für die Aktivität unseres Sterns über die vergangenen vier Jahrhunderte“, so Chatzistergos. „Die Sonnen­fleckenzahl erlaubt es uns, das Verhalten der Sonne über mehrere hundert Jahre zurückzuverfolgen und mit dem heutigen Zustand der Sonne zu vergleichen“, fügt er hinzu. Umso wichtiger ist es, dass Forschenden möglichst präzise Beobachtungsdaten zur Sonnenfleckenzahl vorliegen. Die bisher nicht systematisch ausgewerteten Aufzeichnungen, die von 1853 bis 1886 am Collegio Romano entstanden, versprechen besonders aussage­kräftig zu sein. Die meisten anderen Beobachtungsreihen aus demselben Jahrhundert, die etwa in Dessau, Palermo, Potsdam oder Surrey entstanden, umfassen kürzere Zeiträume, sind weniger detailreich gezeichnet oder enthalten nur tabellarisch die Anzahl der Flecken. 

„Die Aufzeichnungen von Secchi und seinen Mitarbeitern sind die detaillier­testen Daten über Sonnenflecken und andere ruhige und magnetische Regionen, die in diesem Zeitraum von der Sonnen­oberfläche entstanden sind", sagt Illaria Ermolli vom INAF. „Zusätzlich zu den Informationen über die Position und die Fläche der Sonnenflecken enthalten viele Zeichnungen auch Daten über Sonnenfackeln, Spikulen und Protuberanzen sowie darüber, wie sich diese Regionen entwickelt haben. Zudem weisen Anmerkungen auf historische und natürliche Ereignisse hin, wie beispiels­weise Feind­seligkeiten in der Stadt und die Beobachtung spektakulärer Polarlichter", ergänzt Ermolli. Als Sonnenfackeln bezeichnen Wissenschaftler besonders helle Gebiete auf der Sonnen­oberfläche, die oftmals mit Sonnenflecken einhergehen; Spikulen und Protuberanzen sind Strukturen, die sich am Sonnenrand zeigen. 

Den Datenschatz Secchis wissenschaftlich auszuwerten, ist ein gewaltiges Unterfangen – und das nicht nur wegen des riesigen Umfangs des Konvoluts, das mehrere tausend Ansichten der gesamten Sonnenscheibe umfasst. Die Skizzen, die Secchi und seine Mitstreiter sorgfältig auf Papier anfertigten, zeigen deutlich Spuren ihres Alters: Auf vielen Seiten finden sich dunkle Verfärbungen, die oft nur schwer von den gemalten Sonnenflecken zu unterscheiden sind. Zudem haben die verschiedenen Beobachter – neben Secchi lassen sich mindestens fünf weitere identifizieren – die Sonnenflecken sehr unterschiedlich zu Papier gebracht. Während Secchi selbst die Sonnenflecke eher in groben Umrissen andeutete, waren einige seiner Mitstreiter mit mehr Liebe zum Detail (und möglicherweise zeichnerischem Talent) bei der Sache. Mit feinen Bleistift­strichen hielten sie detailreich die Feinstruktur jedes einzelnen Flecks fest.

„Um alle Sonnenflecken zu identifizieren, braucht es einen sorgfältigen und vor allem menschlichen Blick auf jede Zeichnung“, so Chatzistergos. Versuche, diese Aufgabe in einem auto­matisierten Prozess zu erleichtern, lieferten keine befriedigende Ergebnisse. Ab heute stehen auf der Plattform Zooniverse mehr als 15.000 Bilder bereit, die Ausschnitte der historischen Zeichnungen zeigen. Die Ausschnitte enthalten jeweils Gruppen eng benachbarter und zum Teil recht kleiner Sonnenflecke. Die Forschenden hoffen nun auf viele Sonnenfleck-Detektive. Um verlässliche Zahlen zu bekommen, müssen möglichst viele Laienforscher jeden Bild­ausschnitt bearbeiten. Ein Jahr lang sind die Bilder zugänglich.

MPS / JOL