Die Locken der Sonne
Messungen und Simulationen erklären seltsame Plasmastrukturen bei Sonnenausbrüchen.
Die Sonne brodelt. In ihrer Gashülle, der Korona, bilden sich dabei häufig rätselhafte fingerartige Plasmastrukturen. Nun ist es einem deutsch-amerikanischen Team unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung gelungen, diese filigranen Formen zu erklären. In ihrer neuen Theorie ziehen die Wissenschaftler ein lange bekanntes Naturphänomen heran, das in sehr unterschiedlichen Situationen beobachtbar ist – sowohl im fernen Kosmos als auch in der heimischen Teetasse.
Abb.: Das Bild zeigt die ultraviolette Strahlung eines Teils der Korona am 22. Oktober 2011 bei einer Wellenlänge von 13,1 Nanometer (blau dargestellt) und 9,4 Nanometer (rot). Die dunklen fingerartigen Strukturen der Rayleigh-Taylor-Instabilität im oberen Bildteil heben sich vor dem blauen Plasma klar ab. (Bild: NASA / SDO / MPS)
In der solaren Korona läuft die Energieumwandlung auf Hochtouren. Dabei verwandeln sich magnetische und elektrische Energie in enorme Hitze, und die Temperaturen schnellen bis auf zehn Millionen Grad Celsius. In der Nähe von Sonnenflecken kann es dabei zu sogenannten eruptiven Flares kommen: Gasmassen lösen sich von der Sonnenoberfläche und werden hoch in die Korona geschleudert. Dabei bilden sich seltsame langgestreckte Plasmastrukturen, die meist nur für einige Minuten im oberen Teil der Flares sichtbar sind. Seit ihrer Entdeckung vor rund 15 Jahren rätseln die Sonnenforscher, was hinter diesen dunklen Strukturen steckt; sie bilden einen deutlichen Kontrast zu dem hellen, im ultravioletten Licht leuchtenden Plasma, in das sie eingebettet sind.
Wegen ihrer Gestalt und der schlängelnden Bewegungen werden diese dunklen Strukturen im Forscherjargon manchmal „Kaulquappen“ genannt. „Wir tappten bisher bei deren Deutung buchstäblich im Dunkeln, denn alle Erklärungsversuche konnten die Beobachtungen nicht befriedigend erklären“, sagt Davina Innes vom Göttinger Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.
Zusammen mit Kollegen hat sie Flare-Fotos des Solar Dynamics Observatory (SDO) der US-Raumfahrtbehörde NASA und der ebenfalls amerikanischen STEREO-Mission (Solar TErrestrial RElations Observatory) ausgewertet. Beide Sonden ermöglichen die Beobachtung der Sonne in mehreren Wellenlängen des ultravioletten Lichtes.
Die hochauflösenden Bilder stammen von Flare-Ausbrüchen in den Jahren 2011 und 2012 und bilden noch kleine Details mit weniger als 800 Kilometern Größe ab. Insbesondere die SDO-Bilder zeigen das solare Geschehen mehrmals pro Minute. Sie sind also gut geeignet, die meist kurzlebigen, rätselhaften koronalen „Kaulquappen“ zu untersuchen. „Es zeigte sich, dass diese Strukturen Instabilitäten sind, die beim Aufeinandertreffen verschieden dichter Plasmen entstehen“, sagt Innes.
Abb.: Solare Schnappschüsse: Drei zeitlich versetzte Auszüge aus der neuen Simulationsrechnung auf Basis der Magnetohydrodynamik. Die Entwicklung, der dunklen fingerartigen Strukturen, welche die Rayleigh-Taylor-Instabilität anzeigen, ist deutlich zu erkennen. (Bild: MPS)
In der zweiten Studie, die Max-Planck-Forscherin Lijia Guo leitete, haben die Forscher mit Computermodellen dieselben Prozesse simuliert. Diese dreidimensionalen magnetohydrodynamischen Rechnungen folgen einer Theorie, mit der Physiker elektrisch geladene Flüssigkeiten beschreiben; näherungsweise lässt sich auch das Sonnenplasma damit berechnen.
Die Ergebnisse der aufwendigen Rechnungen zeigen eine markante Übereinstimmung mit den Beobachtungen. Überraschend ist, dass die Strukturen, die den Sonnenphysikern jahrelang Kopfzerbrechen bereiteten, auf Basis der aktuellen Modellrechnungen mit einer alten Bekannten erklärt werden: „Wir konnten belegen, dass die Prozesse auf die Rayleigh-Taylor-Instabilität zurückgehen, einem fundamentalen Prozess der Strömungsphysik“, sagt Guo. Diese Instabilität tritt etwa zwischen zwei unterschiedlich dichten Flüssigkeiten auf, wenn diese gegeneinander beschleunigt werden.
Sogar in einer Teetasse, in die etwas Milch gegeben wird, kann es zu der Instabilität kommen. Denn die im Vergleich zum Tee schwerere Milch ist der irdischen Schwerebeschleunigung unterworfen. Die kurz sichtbaren, pilzförmigen Ausstülpungen an der Tee-Milch-Grenzfläche sind ein typisches Zeichen für diese Instabilität. Sie tritt auch in strömenden Gasen auf. „In der Hülle explodierender Sterne zeigt sich die Rayleigh-Taylor-Instabilität ebenfalls. Die fingerartigen Strukturen in den Gasmassen des Krebsnebels, der bei einer Supernova-Explosion entstand, lassen sich so erklären“, sagt Lijia Guo.
Die beiden Studien der Max-Planck-Forscherinnen führen nun auch zu einem vertieften Verständnis der Vorgänge in der Korona. Neben der Rayleigh-Taylor-Instabilität geht es um einen energiereichen Prozess, bei dem das Magnetfeld in eine andere Konfiguration schnellt, die Rekonnexion. Ähnlich wie bei einem zu stark verdrillten Gummiband, das reißt, entlädt sich während der Flares schlagartig die im Magnetfeld gespeicherte Energie.
Die Rolle des Gummibandes spielen in der Korona die magnetischen Feldlinien. Beim abrupten Umgruppieren der Feldlinien entsteht ein Strahl aus dünnem Plasma: ein Jet. Dieser wird vom Ort der Rekonnexion zur Sonnenoberfläche hin beschleunigt. Weiter unten stößt der Jet auf dichteres Plasma. Am Kopf des Jets treffen also dichtes und dünnes Plasma aufeinander – die Rayleigh-Taylor-Instabilität nimmt ihren Lauf.
„Unsere Beobachtungen ergeben zum ersten Mal klare Belege für solche Rekonnexions-Jets, über die bisher nur theoretisiert wurde“, sagt Davina Innes. Die Resultate der beiden Forscherinnen dürften auch außerhalb der Community der Sonnenphysiker auf Interesse stoßen: „Rekonnexion, Rayleigh-Taylor-Instabilität, Jets – mit unseren Studien sind wir auf einige Phänomene gestoßen, von denen auch andere Felder der Physik profitieren können“, meint Lijia Guo.
MPS / DE
