Neuer Hinweis auf den Sonnendynamo nahe der Oberfläche der Sonne

Sonnendynamo nahe der Oberfläche der Sonne

Möglicherweise ist gerade ein grosser Schritt zur Lösung eines Rätsels gelungen, das Forschende seit mehr als einem Jahrhundert beschäftigt.

Seit der Entdeckung des Magnetfelds der Sonne im Jahr 1908 versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zu klären, wo es im Inneren der Sonne erzeugt wird – in einer Region, die als Dynamo bezeichnet wird.

Neue Untersuchungen unter der Leitung des Mathematikers Geoffrey Vasil von der University of Edinburgh deuten nun darauf hin, dass der Sonnendynamo nicht, wie bisher angenommen, tief im Sonneninneren liegt. Stattdessen befindet er sich offenbar vergleichsweise nahe an der Oberfläche, in lediglich 32.000 Kilometern Tiefe.

Das ist bedeutsam, weil die bislang nur unzureichend verstandenen Aktivitätszyklen der Sonne offenbar mit ihrem Magnetfeld zusammenhängen. Den Sitz des Dynamos zu kennen, ist daher entscheidend, um die Auslöser dieser Sonnenzyklen zu bestimmen.

„Die Herkunft des Magnetfelds der Sonne zu verstehen, ist seit Galileo eine offene Frage und wichtig, um künftige Sonnenaktivität vorherzusagen, etwa Flares, die die Erde treffen könnten“, sagt der angewandte Mathematiker Daniel Lecoanet von der Northwestern University in Illinois.

„Diese Arbeit stellt eine neue Hypothese dazu auf, wie das Magnetfeld der Sonne erzeugt wird. Sie stimmt besser mit Sonnenbeobachtungen überein und könnte, wie wir hoffen, für bessere Vorhersagen der Sonnenaktivität genutzt werden.“

Magnetfeld, Weltraumwetter und Sonnenzyklen

Das Magnetfeld der Sonne ist äusserst komplex und dynamisch. Seit Langem bemüht sich die Forschung um ein detailliertes Verständnis der Prozesse, die es hervorbringen.

Bekannt ist, dass das Magnetfeld der Erde durch einen Dynamo in ihrem äusseren Kern entsteht: Eine konvektierende, rotierende und elektrisch leitfähige Flüssigkeit wandelt kinetische Energie in elektrische und magnetische Felder um, die sich weit in den Weltraum erstrecken.

Die Vorgänge im Inneren der Sonne sind wesentlich komplizierter und schwerer zu beobachten als jene eines Planeten, auf dem wir leben. Dennoch haben sie weitreichende Folgen.

Die magnetische Aktivität der Sonne steht mit Sonnenflecken, Flares und koronalen Massenauswürfen in Verbindung. Dadurch wird das Weltraumwetter beeinflusst, das auf der Erde spürbare und potenziell gefährliche Auswirkungen haben kann.

Diese Aktivität nimmt in Zyklen von ungefähr 11 Jahren zu und ab. Während des Sonnenmaximums, wenn die Sonne mit zahlreichen Sonnenflecken und Flares besonders aktiv ist, kehren ihre Magnetpole ihre Polarität um. Auch in anderer Hinsicht verändert sich das Verhalten der Sonne.

Eine dieser Veränderungen sind Torsionsoszillationen. Da die Sonne kein fester Körper, sondern fluid ist, rotiert sie nicht überall mit derselben Geschwindigkeit. Torsionsoszillationen sind Veränderungen der Rotation unterhalb der Sonnenoberfläche in bestimmten Breitengraden und eng mit dem Sonnenfleckenzyklus verknüpft.

„Weil die Welle dieselbe Periode wie der Magnetzyklus hat, wurde angenommen, dass diese Phänomene miteinander verbunden sind“, erklärt Lecoanet.

„Die herkömmliche ,tiefe Theorie‘ des solaren Magnetfelds erklärt jedoch nicht, woher diese Torsionsoszillationen kommen. Ein aufschlussreicher Hinweis ist, dass die Torsionsoszillationen nur nahe der Oberfläche der Sonne auftreten.

„Unsere Hypothese“, fährt Lecoanet fort, „lautet, dass der Magnetzyklus und die Torsionsoszillationen unterschiedliche Erscheinungsformen desselben physikalischen Prozesses sind.“

Simulationen sprechen für einen flachen Sonnendynamo

Nach der Theorie müsste ein tiefer Dynamo mehr als 200.000 Kilometer unter der Sonnenoberfläche liegen, am Boden der Konvektionszone. Dieses Modell erzeugt jedoch auch Merkmale, die auf der Sonne nicht beobachtet wurden, etwa starke Magnetfelder in hohen Breitengraden. Andere Beobachtungen, beispielsweise die Art, wie Sonnenflecken der magnetischen Aktivität der Sonne folgen, kann es ebenfalls nicht erklären.

Vasil und sein Team führten hochmoderne numerische Simulationen durch. Grundlage waren reale Daten zu den Oberflächenerscheinungen akustischer Wellen im Sonneninneren. Das tatsächliche Verhalten der Sonne passte dabei am besten zu einem Dynamo, der relativ knapp unter der Sonnenoberfläche aktiv ist – in der sogenannten oberflächennahen Scherschicht.

Dieser flache Dynamo brachte nicht nur eine Sonne hervor, die sich wie unsere verhält, sondern auch eng gekoppelte Torsionsoszillationen und Sonnenfleckenaktivität. Das widerspricht dem traditionellen Denken. Andere neuere Studien legen jedoch ebenfalls nahe, dass für die Rätsel der Sonne neue Lösungsansätze nötig sind, weil die bisherigen Vorstellungen nicht ausreichen.

„Ich glaube, dieses Ergebnis könnte umstritten sein“, sagt der angewandte Mathematiker Keaton Burns vom Massachusetts Institute of Technology (MIT), der die Studie mitverfasst hat.

„Der Grossteil der Fachgemeinschaft hat sich darauf konzentriert, Dynamo-Aktivität tief im Inneren der Sonne zu finden. Nun zeigen wir, dass es einen anderen Mechanismus gibt, der offenbar besser zu den Beobachtungen passt.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden in Nature veröffentlicht.