Obwohl die Sonne der uns nächste Stern ist, sind längst nicht alle ihre Geheimnisse entschlüsselt. Erst in jüngster Zeit haben Astronomen mithilfe von Sonnensonden und dem weltgrößten Sonnenteleskop, dem Daniel-Inouye-Teleskop auf Hawaii, neue Einblicke in die solare Physik erhalten. Die Aufnahmen enthüllten Details der brodelnden Sonnenoberfläche, winzige Entladungen, feine Plasmaschleifen und sogar Plasmaregenfälle und einzelne Plasmatropfen.
Jetzt ist ein neuer Durchbruch gelungen. Astronomen um David Kuridze vom National Solar Observatory in Colorado haben das Inouye-Sonnenteleskop genutzt, um eine magnetisch aktive Region in der Nähe eines Sonnenflecks wiederholt abzubilden. Die Auflösung ihrer bei einer Wellenlänge von 416 Nanometern erstellten Aufnahmen reichte bis auf rund 20 Kilometer hinunter. „Die in Serie gemachten Aufnahmen enthüllen eine weit komplexere und dynamischere solare Szene als zuvor beobachtet“, berichtet das Team.
Allgegenwärtige Wirbel am Rand der solaren Plasmablasen
Die größte Überraschung: Die Astronomen entdeckten zuvor völlig unbekannte Strukturen am Rand der solaren Granulen, den großen Plasmablasen, in denen ständig Sonnenplasma aufsteigt und an den Rändern wieder absinkt. „Die Aufnahmen enthüllen eine allgegenwärtige Bildung und Entwicklung von Wirbeln an den Grenzflächen dieser Einheiten“, berichten Kuridze und sein Team. Überall entlang der Blasenränder sind sich verwirbelnde, ausgefranste Turbulenzen zu erkennen, die von oben gesehen der Meeresbrandung ähneln.
Diese neuentdeckten Wirbel sind teilweise nur rund 20 Kilometer breit. So kleine solare Strukturen von der Erde aus sichtbar zu machen, ähnelt dem Versuch, eine Ein-Euro-Münze aus 180 Kilometer Entfernung zu sehen. Die zeitlich eng getakteten Aufnahmen zeigten zudem, dass diese Wirbel und Turbulenzen dynamisch sind: Sie bewegen sich mit 0,67 bis 3 Kilometer pro Sekunde an den Rändern der solaren Plasmablasen entlang, wie Kuridze und seine Kollegen ermittelten.
Aufnahme der Sonnenoberfläche mit einer Auflösung von rund 19 Kilometern. Die Ausschnittvergrößerungen zeigen Details der Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten. — © NSF/NSO/AURA/MPS
Erster Nachweis von Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten auf der Sonnenoberfläche
Doch worum handelt es sich bei diesen solaren Mini-Wirbeln? Um das herauszufinden, rekonstruierten die Astronomen die möglichen Vorgänge dahinter mithilfe eines astrophysikalischen Modells. „Mithilfe dieser numerischen Simulationen konnten wir demonstrieren, dass diese Verwirbelungen durch Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten entstehen“, berichten die Forschenden.
Diese schon 1870 durch Lord Kelvin und Hermann von Helmholtz beschriebenen Turbulenzen entstehen immer dann, wenn Fluide mit unterschiedlichem Tempo aneinander vorbeiströmen. Auf der Erde kommen Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten beispielsweise an der Oberfläche von Seen, bei Meereswellen oder bei der Wolkenbildung vor. Auch in den Gashüllen von Jupiter und Saturn oder in den Magnetosphären von Planeten wurden diese Wirbel schon beobachtet.
Aber für die Sonne ist dieses Phänomen neu: Zwar vermuten Astronomen schon länger, dass es auch im Sonnenplasma Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten geben muss. „Aber die Existenz dieser Turbulenzen in der solaren Photosphäre wurde bisher noch nie beobachtet“, berichten Kuridze und seine Kollegen.
Erklären die Instabilitäten den schnellen Sonnenzyklus?
Für die Sonnenforschung ist dies ein bedeutender Meilenstein. Denn es bestätigt nicht nur die seit Jahren gehegten Vermutungen – es liefert auch ganz neue Einblicke in die solare Physik. „Die Entdeckung der Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten in der solaren Photosphäre ist ein großer Fortschritt in unserem Verständnis der Dynamik und Entwicklung des solaren und stellaren Plasmas“, sagt Seniorautor David Boboltz vom National Solar Observatory.
So könnten die Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten beispielsweise erklären, warum sich das solare Magnetfeld innerhalb von nur elf Jahren komplett umkehrt – nach kosmischen Maßstäben ist dies rasant. „Gängige Modelle haben Probleme, eine so rasche Veränderung des magnetischen Flusses zu erklären“, sagt Kuridze. „Aber die jetzt in der Sonnen-Photosphäre entdeckten Instabilitäten könnten die Schlüsselakteure dieser magnetischen Diffusion sein.“ Denn die Wirbel mischen magnetisches und nicht magnetisches Sonnenplasma und leiten dadurch magnetische Energie ab.
Motor der verdrillten Magnetfeldlinien?
Die neu entdeckten Sonnenwirbel könnten aber auch eine seit langem offene Frage zur Aktivität unseres Sterns klären. Gängiger Theorie nach entstehen Sonnenstürme und solare Ausbrüche, weil sich die Magnetfeldlinien der Sonnenoberfläche verdrillen. Dadurch entsteht eine enorme Spannung, die sich dann in Strahlungsausbrüchen und Plasmaauswürfen entlädt. Doch warum sich die Magnetfeldlinien miteinander verflechten und verdrillen, ist bislang ungeklärt.
„Um diese Dynamik zu verstehen, müssen wir die kleinskaligen Prozesse sehen, die sie antreiben. Aber jahrzehntelang war es unmöglich, so kleine Wirbel sichtbar zu machen“, sagt die nicht an der Studie beteiligte Forscherin Jacqueline Keane von der National Science Foundation. Erst jetzt sei dies dank des Inouye-Teleskops gelungen. Die Aufnahmen der Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten im Sonnenplasma legen nahe, dass sie der lange gesuchte Motor des magnetischen Verdrillens sein könnten.
Erst der Anfang
Und noch ein Rätsel könnten die solaren Plasmawirbel lösen: „Die Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten sind wahrscheinlich einer der Mechanismen, die zur Aufheizung der äußeren Sonnenatmosphäre beitragen“, berichtet Co-Autor Thomas Rimmele vom National Solar Observatory. Sie könnten in Teilen erklären, warum die Korona der Sonne und anderer Sterne Millionen Grad heiß ist, obwohl die Temperatur der Sternenoberfläche nur einige tausend Grad beträgt.
„Wir beginnen erst zu erkennen, welch weitreichende Auswirkungen die Entdeckung der Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten auf der Sonne hat“, sagt Co-Autor Friedrich Wöger vom National Solar Observatory. Sein Mitautor Sami Solanki vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen ergänzt: „Die neu entdeckten Plasmawirbel zeigen auf beeindruckende Weise, wie kleinste Prozesse maßgeblich das Wesen unseres Sterns bestimmen.“
Quelle: David Kuridze (National Solar Observatory, Boulder, Colorado) et al., Nature, 2026; doi: 10.1038/s41586-026-10871-3
