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Sonnenforschung: Die Sonne im Blick

Viele Raumsonden nahmen die Sonne schon ins Visier - seit mehr als einem Jahr reiht sich auch das japanische Weltraumteleskop Hinode ein. Seine exzellenten Gerätschaften erlauben ganz neue Einsichten in den uns nächsten Stern.
Hinode
Die Sonne: im Mittel 150 Millionen Kilometer von uns entfernt, ausgerüstet mit einem Durchmesser von 1,4 Millionen Kilometern, mehr als 300 000 Erdmassen schwer und wohl etwa 4,6 Milliarden Jahre alt. Soweit ist noch alles recht handfest. Doch schon bei der Temperatur fangen die Ungereimtheiten an.

Besonders ärgert Physiker das so genannte Korona-Problem: Die sichtbare Oberfläche oder Fotosphäre ist etwa 6000 Grad Celsius heiß und damit viel kühler als ihre auf mindestens eine Million Grad temperierte Atmosphäre – die Korona. Zwar gäbe es bereits kurz unterhalb der solaren Hülle genug Energie, um die gemessenen Temperaturen in der Korona zu erzeugen – doch wie gelangt sie dahin?

Sonnenaufbau in Schichten | Hinode interessiert sich für die Chromosphäre der Sonne, eine dünnen Atmosphären-Schicht zwischen der hellen sichtbaren Oberfläche – der Fotosphäre – und der äußeren Korona. Sichtbar ist die Chromosphäre ohne besondere Filter von der Erde aus nur bei einer Sonnenfinsternis als rötlicher Schein. Für Hinodes Teleskopaugen kein Problem – solange die Sonde nicht durch den Erdschatten fliegt. Um das zu vermeiden entwickelten die Flugbahnberechner einen Kurs, der die Sonde am Ende in eine synchronisierte polare Erd-Umlaufbahn bugsierte, aus der sie über neun Monate lang freie Sicht auf unser Zentralgestirn genießt.
Seit über einem halben Jahrhundert rätseln die Wissenschaftler darüber. Inzwischen ist relativ klar, dass der Schlüssel in den allgegenwärtigen Magnetfeldern der Atmosphäre liegt. Felder gegensätzlicher Ausrichtung – vergleichbar mit dem Nord- und Südpol eines Stabmagneten – treffen dort fortwährend aufeinander, die Feldlinien kreuzen sich und löschen sich gegenseitig aus. Energie wird freigesetzt.

Diese schleudert dann unter anderem Fontänen aus elektrisch geladenem Gas ins Sonnensystem hinaus. Derartige Jets könnten zum Aufheizen der Atmosphäre beitragen. Mit Hilfe von Hinode wiesen die Wissenschaftler eine Menge dieser turbulenten Materieauswürfe nach. Bereits kleine Röntgenjets setzen so viel Energie frei wie tausend Atombomben und befördern das Gas mit über drei Millionen Kilometer pro Stunde ins Weltall.

Koronale Masseauswürfe, sozusagen die großen Cousins, geben tausendmal mehr Energie ab und beschleunigen das Gas auf bis zu fast zehn Millionen Kilometer pro Stunde – schnell genug, um die Erde in nur 15 Stunden zu erreichen. Trotz der Unterschiede ist die Ursache für die Masseauswürfe der Sonne immer die gleiche, vermuten Wissenschaftler. Und deshalb kann das Studium der kleinen beim Verstehen der großen helfen.

Solare Magnetfelder in Aktion | Diesen Ausschnitt des Sonnenrands nahm die japanische Sonnensonde Hinode am 20. November 2006 im Röntgenlicht auf. Die nach oben verlaufenden "Strahlen" werden durch starke lokale Magnetfelder eines Sonnenflecks verursacht, die heißes Gas nach oben transportieren.
Mit Hilfe von Hinode schauten Jonathan Cirtain vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Massachusetts und seine Teamkollegen an den Polen der Sonne weit in die Korona hinab und verzeichneten durchschnittlich 240 Röntgenjets pro Tag – bisherige Studien zeigten auf Grund mangelnder Empfindlichkeit nur wenige [1]. Die Auswürfe von schnellem, heißem Plasma waren bis zu 20 000 Kilometer breit und 100 000 Kilometer lang.

Wissenschaftler um Kazunari Shibata von der Universität Kyoto entdeckten hingegen eine unerwartet hohe Anzahl von kleineren Jets in Regionen mit aktiven Sonnenflecken – relativ kühlen Gebieten mit intensiver Magnetaktivität [2]. Die dünnen Materiestrahlen sind dabei wie ein umgekehrtes Y geformt und maximal 5000 Kilometer lang und bis zu 300 breit. Auch die Gruppe um Yukio Katsukawa vom National Astronomical Observatory of Japan wies viele kleine und kurz anhaltende Jets in der Nähe von Sonnenflecken nach [3].

Neben den Jets kommen als Energieträger zur Korona auch magnetische Wellen in Frage. Der schwedische Physiker Hannes Alfvén sagte voraus, dass eben solche durch das Plasma der Sonnenkorona laufen. Wenn sie entlang der Magnetfeldlinien nach außen dringen und dabei ihre Energie abgeben, heizen sie die Atmosphäre auf extreme Temperaturen auf. Bislang existierten diese Alfvénwellen allerdings nur in der Theorie. Mit Hinode gelang nun endlich der direkte Nachweis.

Sonnenplasma in der Chromosphäre | Hinode, japanisch für Sonnenaufgang, macht seinem Namen alle Erde: Das international finanzierte Weltraumteleskop produziert detaillierte Aufnahmen der Sonnenoberfläche. Am 12. Januar 2007 entstand dieses Bild, auf dem die fadenförmige Natur des Plasmas deutlich wird, das Regionen unterschiedlicher magnetischer Polarität miteinander verbindet.
Gleich mehrere Forschergruppen waren daran beteiligt: etwa die von Takenori Okamotos vom National Astronomical Observatory of Japan [4] oder auch die von Cirtains. Forscher um Bart De Pontieu vom Lockheed Martin's Solar and Astrophysics Laboratory in Kalifornien wiesen in der gesamten Chromosphäre – dem Bereich zwischen Oberfläche und Korona – Alfvénwellen nach [5]. Zudem zeigten sie, dass die von den Wellen ausgehende Energie ausreicht, um die Korona aufzuheizen.

Außerdem könnten sie auch den Sonnenwind – jene geladenen Teilchen, die die Sonne in riesigen Mengen und mit Geschwindigkeiten von über einer Million Kilometer pro Stunde unentwegt in den Raum spuckt – beschleunigen. Damit wären wir auch schon auf der Fährte eines anderen großen Rätsels: Woher kommt der Sonnenwind? Das Team um Taro Sakao von der Japan Aerospace Exploration Agency (Jaxa) bestimmte eine Region der Sonne, in der Röntgenlicht emittierendes Plasma kontinuierlich in die obere Korona fließt [6]. Sie bestimmten Temperatur und Dichte der ausfließenden Gases und fanden heraus, dass es dem Sonnenwind bis zu einem Viertel der Masse zuliefern könnte.

Der komplette Ursprung bleibt damit allerdings weiterhin im Dunkeln. Ein Ärgernis für die Forscher, denn einige Ausbrüche auf der Sonne erzeugen regelrechte Teilchenstürme, die Telekommunikations- und Navigationssysteme oder sogar Stromnetze auf der Erde stören. Und insbesondere Raumfahrer sind der gefährlichen Teilchenflut schutzlos ausgeliefert. Um das Weltraumwetter vorhersagen zu können, wollen die Mechanismen hinter den solaren Eskapaden aber erst verstanden sein. Und das bedarf wohl noch weiterer Raumsonden.

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