Die Rotation der Sonne ist, mit einem Wort gesagt, bizarr.
Man könnte annehmen, dass sich jede Breite ihrer Oberfläche ungefähr gleich schnell dreht – doch das stimmt nicht. Würde man etwa am Sonnenäquator stehen können, dauerte eine vollständige Umdrehung rund 24 Erdtage. An einem der Pole müsste man dagegen ungefähr 34 Tage warten, um wieder dieselbe Ausrichtung zu erreichen.
Dieses Phänomen wird differentielle Rotation genannt und gibt der Wissenschaft seit Langem Rätsel auf.
Differentielle Rotation der Sonne reicht tief ins Innere
Mit jedem tieferen Blick in das Sonneninnere ist das Rätsel noch komplizierter geworden. Helioseismologische Beobachtungen zeigen, dass sich der Effekt keineswegs auf die obere Atmosphäre beschränkt: Er reicht etwa 200.000 Kilometer (124.000 Meilen) weit nach unten und durchzieht die gesamte Konvektionszone der Sonne.
Nun hat ein Team unter der Leitung des Sonnenphysikers Yuto Bekki vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) einen entscheidenden Hinweis gefunden. Offenbar wird die differentielle Rotation durch langperiodische Schwingungen von Schallwellen in der Konvektionszone gebremst. An der Oberfläche lassen sie sich als wirbelnde Bewegungen rund um die Pole erkennen.
Die Sonne „summt“ ununterbrochen. In der sichtbaren Oberflächenschicht, der Photosphäre, schwingen Millionen akustischer Moden auf und ab; ihre Perioden liegen bei etwa fünf Minuten.
Diese Moden sind schon länger bekannt. Doch erst vor wenigen Jahren entdeckte ein Forschungsteam unter der Leitung des MPS-Direktors Laurent Gizon eine neue Art akustischer Schwingung. Aus mehreren Jahren an Sonnenbeobachtungen identifizierten sie eine globale Schwingungsmode mit der deutlich längeren Periode von 27 Tagen.
Dabei zeigte sich noch etwas: Die riesigen Schallwellen, die durch die Sonne laufen, schienen auf bislang unklare Weise mit der differentiellen Rotation der Sonne verbunden zu sein.
Riesige Schallwellen beeinflussen die Sonnenrotation
Als die ursprüngliche Entdeckung 2021 veröffentlicht wurde, gingen die Forschenden davon aus, dass die langfristigen Schwingungsmoden von der differentiellen Rotation abhängen. Bei genauerer Analyse stellten Bekki und seine Kolleginnen und Kollegen jedoch fest, dass der Zusammenhang in beide Richtungen wirkt: Die gewaltigen Schallwellen begrenzen auch die differentielle Rotation.
Um diese Wechselwirkung zu untersuchen, führten sie dreidimensionale numerische Simulationen durch und analysierten die Folgen der Schwingungen. Dabei zeigte sich, dass Moden in hohen Breiten – jene, die um die Pole kreisen – das Verhalten der Sonne stark prägen, indem sie Wärme von den Polen in die Äquatorregion transportieren.
Da die Pole wärmer sind als der Äquator, begrenzt dieser Wärmetransport den Temperaturunterschied zwischen den beiden Breitenregionen. Der Kontrast zwischen Polen und Äquator kann daher 7 Kelvin (7 Grad Celsius oder 12,6 Grad Fahrenheit) nicht überschreiten.
Auch wenn dieser Unterschied bei einer Kugel aus heissem Plasma, das bei Tausenden Grad brodelt, verschwindend gering wirkt, steuert genau dieser Temperaturbereich letztlich die differentielle Rotation.
„Dieser sehr geringe Temperaturunterschied zwischen den Polen und dem Äquator steuert das Gleichgewicht des Drehimpulses in der Sonne und ist damit ein wichtiger Rückkopplungsmechanismus für die globale Dynamik der Sonne“, erklärt Gizon.
Temperaturunterschiede steuern die globale Dynamik
Die beteiligten Prozesse unterscheiden sich zwar in mancher Hinsicht, ähneln aber der Entstehung riesiger zyklonischer Stürme durch atmosphärische Instabilitäten auf der Erde. Noch bleibt ein grosses Rätsel offen, doch die Verbindung zwischen diesen Vorgängen könnte bei seiner Lösung helfen. Die Schwingungsmoden in hohen Breiten tragen wesentlich dazu bei, die differentielle Rotation der Sonne zu lenken. Möglicherweise wirken dieselben Dynamiken auch bei anderen Sternen.
Die Sonne ist ein riesiger, seltsam tickender Feuerball am Himmel, voller Rätsel und Geheimnisse. Schritt für Schritt kommen wir ihrer Aufklärung näher.
Die Studie wurde in Science Advances veröffentlicht.
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