Eine verdrehte Geschichte von Sonnenflecken

Dank eines neugierigen deutschen Forscherteams kann eine der größten Fragen der Solarastronomie nach mehr als 400 Jahren eine Antwort finden. Alle elf Jahre erreicht die Population der Sonnenflecken auf der Oberfläche unseres lokalen Sterns ein Maximum, bevor sie aussterben. Eine weitere Population von Sonnenflecken beginnt dann aufzutauchen (diesmal mit umgekehrten Polen gegenüber dem vorherigen Zyklus), bevor auch sie ihren Höhepunkt erreichen und verblassen. Dieser Prozess mag bekannt sein, aber der Grund für diese 11-Jahres-Spitzen ist bis jetzt ein Rätsel geblieben.

Das Magnetfeld der Sonne kann durch die Gravitationskräfte von Venus, Erde und Jupiter beeinflusst werden, was laut einer neuen Studie zum zyklischen Sonnenfleckenzyklus führt. Die Forscher verglichen Sonnenzyklen mit den Positionen von Planeten und stellten fest, dass die Gravitationskräfte dieser drei Welten wie eine kosmische Uhr wirken und den Sonnenzyklus regulieren.

„Es gibt ein erstaunlich hohes Maß an Übereinstimmung: Wir sehen eine vollständige Parallelität mit den Planeten über einen Zeitraum von 90 Zyklen. Alles deutet auf einen getakteten Prozess hin “, erklärte Frank Stefani vom deutschen Forschungsinstitut Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).

Der Sonnenfleckenzyklus ist in dieser Grafik, die 2017 von der NASA erstellt wurde, leicht zu erkennen. Wir befinden uns derzeit an einem Tiefpunkt im Zyklus. Bildnachweis: NASA / ARC / Hathaway

Sie haben genau dort einen Platz verpasst

Sonnenflecken wurden erstmals zwischen den Jahren 1610 und 1611 in den Jahren nach der Erfindung des Teleskops deutlich sichtbar. Obwohl Galileo oft für die Entdeckung verantwortlich gemacht wird, berichteten mehrere wegweisende Astronomen dieser Zeit, dass sie ungefähr zur gleichen Zeit die charakteristischen dunklen Flecken auf dem Mond gefunden hatten.

Ein Sonnenfleck, der vom Solar Dynamics Observatory (SDO) gesehen wird, zeigt sein starkes Magnetfeld. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center / SDO der NASA

Die Veröffentlichung des ersten Papiers, in dem der niederländische Astronom Johannes Fabricius diese Merkmale erkannte, schockierte den Zeitgeist der Gesellschaft des frühen 17. Jahrhunderts, die immer an eine perfekte, unveränderliche, merkwürdige Sonne glaubte.

De Maculis in Sole Observatis et Apparente earum cum Sole Conversione Narratio (Erzählung über auf der Sonne beobachtete Flecken und ihre scheinbare Rotation mit der Sonne), veröffentlicht im Juni 1611, war das erste wissenschaftliche Papier, das Sonnenflecken beschrieb. Public Domain Bild.

„Zu dieser Zeit glaubten die Menschen, die Sonne sei ein unantastbarer, unveränderlicher, perfekter Körper. Menschen wie Fabricius und Galileo haben gezeigt, dass sich diese Punkte um die Oberfläche bewegten und dass sich die Sonne drehte “, beschreibt der Sonnenphysiker Keith Strong vom Goddard Space Flight Center der NASA.

Alle stehen an!

Die größte Gravitationskraft der Planeten auf die Sonne tritt alle 11,07 Jahre auf, wenn Venus, Erde und Jupiter in Einklang gebracht werden. Die Anziehungskraft dieser Anordnung führt zu Gezeitenkräften auf die Sonne, ähnlich wie unser eigener Mond die Ozeane nach oben zieht und Gezeiten erzeugt.

Dieser Effekt ist nicht stark genug, um das Innere unseres Sternbegleiters zu beeinflussen. Daher wurde der Zeitpunkt dieser Ausrichtung in früheren Studien zu Sonnenfleckenzyklen zuvor übersehen. Ein als Tayler-Instabilität bekannter physikalischer Effekt kann jedoch das Verhalten leitfähiger Flüssigkeiten oder eines Plasmas verändern.

Die Tayler-Instabilität verändert die Flussrate des Materials (den Fluss) in einem Objekt wie der Sonne und kann Magnetfelder beeinflussen. Dieser Effekt kann durch relativ kleine Bewegungen in Materialien wie dem Plasma an der Sonnenoberfläche ausgelöst werden. Aufgrund dieses Effekts können diese relativ geringen Gezeitenkräfte das Verhältnis von Sonnenflecken zu ihrer Fahrtrichtung verändern. Diese Messung, bekannt als Helizität einer Plasmaregion, verändert den Solardynamo (den physikalischen Prozess, der das Magnetfeld unseres Muttersterns erzeugt).

Die so sitzende Sonne nach mechanischen Gesetzen, die Erde und jeder entfernte Planet zeichnet;
Durch welche Anziehung werden alle in seiner Reichweite gefundenen Planeten in der Ätherrunde gedreht.
- Richard Blackmore, In Creation: Ein philosophisches Gedicht in sieben Büchern

„Magnetfelder sind ein bisschen wie Gummibänder. Sie bestehen aus kontinuierlichen Schleifen von Kraftlinien, die sowohl Spannung als auch Druck haben. Wie Gummibänder können Magnetfelder verstärkt werden, indem sie gedehnt, gedreht und auf sich selbst zurückgefaltet werden. Dieses Dehnen, Verdrehen und Falten erfolgt durch die Flüssigkeitsströme in der Sonne “, erklärt das Marshall Space Flight Center.

Stefani hatte seine Zweifel, ob Gezeitenkräfte von den Planeten ein Ereignis verändern könnten, das so stark ist wie der Solardynamo. Als er jedoch erkannte, dass die Tayler-Instabilität den Auslöser für den Prozess darstellen könnte, begannen Stefani und sein Team mit der Entwicklung einer Computersimulation zur Modellierung des Prozesses.

„Ich fragte mich: Was würde passieren, wenn das Plasma von einer kleinen, gezeitenähnlichen Störung beeinflusst würde? Das Ergebnis war phänomenal. Die Schwingung war sehr aufgeregt und wurde mit dem Zeitpunkt der externen Störung synchronisiert “, erklärt Stefani.

Sonne, Fleck, Sonne!

Die Bewegung der Sonne ist komplex und mehrere Effekte tragen zu ihrem komplizierten Tanz bei. Wenn sich die Sonne dreht, bewegt sich der Äquator schneller als das Material in der Nähe der Pole. Bei einem als Omega-Effekt bekannten Prozess werden Linien des Magnetfelds der Sonne in der Nähe des Äquators gezogen und gedehnt, wodurch eine Biegung in Richtung des Sonnenäquators entsteht.

Ein wenig verstandener Alpha-Effekt wirkt sich dann auf die magnetischen Linien aus und drückt sie in ihre ursprüngliche Ausrichtung, was zu einer Verdrehung der Kraftlinien führt.

Über Sonnenflecken sind in diesem Bild geladener Teilchen magnetische Linien zu sehen, die in extremem ultraviolettem Licht aufgenommen wurden. Bildnachweis: NASA / GSFC / Solar Dynamics Observatory

Diese Aktionen erzeugen die kühlen, dunklen Bereiche, die wir als Sonnenflecken kennen. Während der größte Teil der Sonnenoberfläche bei 5.500 Grad Celsius leuchtet, bleiben die Sonnenflecken bei relativ kühlen 3.200 Grad Celsius (5.800 Fahrenheit). Sonnenflecken sind immer noch ziemlich hell und erscheinen nur vor dem heißen Hintergrund der Sonnenoberfläche dunkel.

Dieses neue Modell, das Gezeitenkräfte in die komplexen Prozesse des Solardynamos faltet, könnte verschiedene Fragen erklären, die Astronomen und Physiker zum Solardynamo haben und wie er sich auf unseren Mutterstern auswirkt.

Die Parker-Sonnensonde befindet sich derzeit in einer Umlaufbahn um die Sonne, um unseren Sternbegleiter aus nächster Nähe zu untersuchen. Dieses Programm könnte in den nächsten Jahren eine Vielzahl von Rätseln in Bezug auf Sun lösen.