Seit fast 70 Jahren gibt die Sonne den Astronomen ein großes Rätsel auf: Wie kommt es, dass an ihrer Oberfläche etwa 5500 Grad Celsius herrschen, sich darüber aber eine mehrere Millionen Grad heiße Atmosphäre – die Korona – erstreckt? Physikalisch erscheint das auf den ersten Blick genauso unmöglich wie der Versuch, auf einer 50 Grad heißen Herdplatte Wasser zum Kochen zu bringen.
Mit dem amerikanischen Weltraumteleskop Solar Dynamics Observatory (SDO) konnte ein internationales Forscherteam um Scott McIntosh vom High Altitude Observatory in Boulder, Colorado, das Rätsel jetzt weitgehend lösen. Die Wissenschaftler entdeckten energiereiche Wellen, die mit großer Geschwindigkeit in die Korona hinein rasen und diese aufheizen. Das japanische Sonnenteleskop Hinode hatte bereits vor vier Jahren Hinweise auf diese Wellen entdeckt. Doch deren Energiegehalt hielten die Astronomen damals für zu gering. Entscheidend für die jüngste Entdeckung war, dass SDO wesentlich kleinere Details bis herunter zu knapp 1000 Kilometer aufspürt und eine Zeitauflösung von acht Sekunden besitzt.
Korona im Visier
McIntosh und seine Kollegen beobachteten die Sonne im Bereich des extremen Ultraviolett. Eine solche Strahlung sendet die Atmosphäre bei Temperaturen von mehr als 150 000 Grad Celsius aus, wie sie bis in etwa 50 000 Kilometer Höhe über der Sonnenoberfläche herrschen. Damit hatten die Forscher den Übergangsbereich zur Korona sowie diese selbst im Visier.
Am Sonnenrand beobachtete das McIntosh-Team sogenannte Spikulen. Diese fackelartigen Gebilde schießen mit hoher Geschwindigkeit von der Sonnenoberfläche empor und gelangen bis in etwa 20 000 Kilometer Höhe. Die Forscher wiesen nach, dass sich die Gasbewegung oberhalb der Spikulen bis in die Korona hinein fortsetzt.
Die Datenanalyse wurde dadurch erschwert, dass man am Sonnenrand viele hintereinander liegende Spikulen beobachtete. Erst eine aufwendige Bildanalyse zeigte, dass sich die Gasmassen in und über den Spikulen in Form sinusförmiger Wellen mit bis zu 250 Kilometer pro Sekunde ausbreiten. Sie besitzen eine Energiedichte zwischen 100 und 200 Watt pro Quadratmeter. Das reicht aus, um die Korona aufzuheizen.
Wie diese Wellen in dem heißen Gas entstehen, hat bereits vor 40 Jahren der schwedische Physiker Hannes Alfvén erklärt: Die Ursache sind Magnetfelder, wie sie auf der Sonnenoberfläche überall vorkommen und verstärkt in den Sonnenflecken. Das umgebende Gas ist so heiß, dass es ionisiert vorliegt. In diesem Plasma haben die Atome eines oder mehrere ihrer Elektronen verloren, sodass sie elektrisch positiv geladen sind und von dem Magnetfeld mitgerissen werden. Da das heiße Gas an der Sonnenoberfläche in ständiger Bewegung ist, werden die Magnetfeldlinien verdrillt – sie tanzen wie angezupfte Gummibänder hin und her. Diese Bewegung übertragen sie auf das Plasma, das in Form der beobachteten Alfvén-Wellen bis in die Korona aufsteigen kann.
Ist damit das alte Problem der heißen Korona endgültig gelöst? „Ja und nein”, sagt Hardi Peter, der sich am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Katlenburg-Lindau mit der dreidimensionalen Computermodellierung der Korona beschäftigt. „ Wir wissen jetzt, dass die Alfvén-Wellen grundsätzlich genügend Energie liefern. Unklar ist aber nach wie vor, wie diese Energie auf der Skala von Zentimetern oder Metern an das koronale Plasma übertragen wird.”
An physikalischen Modellen, die dies erklären sollen, arbeiten Forschergruppen weltweit. Ein ähnliches Phänomen kennt man auf der Erde: Eine energiereiche Welle kann Tausende von Kilometern auf dem Ozean zurücklegen, bevor sie ihre vernichtende Energie schlagartig als Tsunami an einer Küste entlädt.
Magnetische Kurzschlüsse
Die Theorie der Alfvén-Wellen hat noch ein anderes Problem: Die ermittelten Energiedichten reichen nur aus, um einen stetig wehenden milden Sonnenwind zu erklären, der von einer ruhigen Sonne abströmt. Es gibt jedoch aktive Regionen, in denen heftige Strahlungs- und Teilchenausbrüche beobachtet werden. Um diese zu erklären, sind zehnmal höhere Energiewerte nötig, als in den Alfvén-Wellen stecken. Hier spielt wahrscheinlich ein anderer Effekt eine Rolle, den Sonnenphysiker schon seit Längerem kennen: magnetische Kurzschlüsse.
Während sich die Magnetfeldlinien verdrillen, speichern sie immer mehr Energie. Überschreitet die Spannung einen kritischen Wert, so können sich die gegensinnig gepolten Feldlinien miteinander verbinden. Physiker nennen diesen Vorgang „ Reconnection” (auf deutsch etwa: Wiederverbindung). Dabei verschwindet ein Teil des Magnetfelds, und die darin gespeicherte Energie wird schlagartig frei. Elektrisch geladene Teilchen, Elektronen und Protonen, werden beschleunigt und schießen wie in der Flamme eines Schneidbrenners bis 100 000 Kilometer hoch in die Korona und erhitzen sie. Offenbar sind also zwei Vorgänge für die hohen Temperaturen in der Korona verantwortlich – und beide haben ihre Ursache im Magnetfeld der Sonne.
Die Spur des Sonnensturms
Ein Teil der Magnetfeldlinien steigt zudem bogenförmig in große Höhen empor. Das daran gebundene Plasma gibt sich als Protuberanz zu erkennen. Bricht eine solche Magnetblase oben auf, dann dehnen sich die Feldlinien weit ins Sonnensystem aus und Teilchenströme schießen an ihnen entlang durch den Raum. Es dauert gerade mal einen Tag, bis der Teilchensturm die Erde erreicht und deren Magnetfeld kräftig durchschüttelt.
Im August letzten Jahres gelang es erstmals, einen Sonnensturm auf dem gesamten Weg von der Sonne bis zur Erde zu beobachten. Die Forscher nutzten hierfür das mehr als 100 Millionen Kilometer von der Erde stationierte Weltraumteleskop STEREO-A. Ein aus den Bildern erstellter Film zeigt eine riesige Plasmawolke, die mit hoher Geschwindigkeit die Sonne verlässt und vier Tage später auf die Erde trifft. „Als ich das sah, habe ich mich sehr klein gefühlt”, sagte Craig DeForest vom Southwest Research Institute in Boulder.
Beobachtungen dieser Art werden es künftig erlauben, das Eintreffen eines Sonnensturms auf der Erde mit hoher Genauigkeit vorherzusagen. Das ist zum Beispiel wichtig für Satellitenbetreiber, um ihre wertvollen Geräte in der Erdumlaufbahn kurzzeitig auszuschalten oder so in den Sonnenwind zu drehen, das besonders empfindliche Bauteile geschützt sind. ■
von Thomas Bührke
