Schaerfste Sonnenbilder aller Zeiten: Inouye-Teleskop enthuellt lang gesuchte Plasmawirbel

Die Sonne ist so gruendlich vermessen worden wie nie zuvor. Ein internationales Forschungsteam hat mit dem groessten Sonnenteleskop der Welt die bisher schaerfsten Aufnahmen der Sonnenoberflaeche gemacht und dabei Strukturen sichtbar gemacht, die die Physik seit Jahrzehnten vorhersagt, die aber noch nie direkt beobachtet werden konnten. Die Ergebnisse wurden Anfang August im Fachjournal Nature veroeffentlicht.

Aufgenommen wurden die Bilder mit dem Daniel K. Inouye Solar Telescope auf dem Gipfel des Haleakala auf der Hawaii-Insel Maui. Mit seinem vier Meter grossen Hauptspiegel ist es das leistungsstaerkste Sonnenteleskop, das derzeit existiert. Es kann auf der Sonnenoberflaeche Details aufloesen, die nur rund zwanzig Kilometer klein sind, ein Massstab, der zuvor unerreichbar war.

Wirbel, die es theoretisch immer schon geben musste

Auf den neuen Aufnahmen zeigen sich zum ersten Mal band- und wirbelartige Strukturen entlang der Grenzen zwischen unterschiedlich schnell stroemendem Gas. Genau solche Muster hatten Modelle der Sonnenphysik seit Langem vorausgesagt, doch in der Praxis liessen sie sich bislang nie einfangen. Erst die extreme Schaerfe des Inouye-Teleskops macht die feinen Uebergaenge nun eindeutig erkennbar.

Verantwortlich fuer diese Strukturen ist ein Vorgang, den Physikerinnen und Physiker als Kelvin-Helmholtz-Instabilitaet kennen. Sie tritt immer dann auf, wenn zwei Schichten eines Gases oder einer Fluessigkeit mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aneinander vorbeigleiten. An der Grenzflaeche bilden sich dann wellenfoermige, sich aufrollende Wirbel, wie man sie auch von Wolkenbaendern am Himmel oder von der Wasseroberflaeche kennt.

Die Fachleute beschreiben in der Studie mit dem Titel Ubiquitous Kelvin-Helmholtz instabilities driving plasma mixing on the Sun, dass diese Instabilitaeten auf der Sonne offenbar allgegenwaertig sind. Das heisse Plasma vermischt sich dabei staendig, und an den Grenzflaechen wird Energie freigesetzt. Genau dieser Energieuebertrag ruecht nun in den Mittelpunkt des Interesses, weil er ein altes Raetsel loesen koennte.

Warum die Korona so viel heisser ist als die Oberflaeche

Seit Jahrzehnten beschaeftigt die Sonnenforschung eine scheinbar paradoxe Beobachtung. Die sichtbare Oberflaeche der Sonne ist rund 5500 Grad Celsius heiss, doch die aeussere Atmosphaere, die sogenannte Korona, erreicht Temperaturen von mehreren Millionen Grad. Nach dem Alltagsverstand muesste es weiter weg vom heissen Kern kuehler werden, tatsaechlich aber wird es dramatisch heisser.

Woher die Energie fuer diese enorme Aufheizung stammt, gehoert zu den grossen offenen Fragen der Astrophysik. Die neuen Aufnahmen liefern hier einen konkreten Hinweis, denn die an den Wirbeln freigesetzte Energie koennte einen wesentlichen Beitrag zur Erwaermung der Korona leisten. Damit ruecken die kleinsten Strukturen auf der Oberflaeche und das grosse Raetsel der Korona ueberraschend eng zusammen.

Sollte sich dieser Zusammenhang bestaetigen, waere das ein bedeutender Schritt fuer das Verstaendnis unseres Sterns. Denn die Prozesse in der Korona treiben auch das sogenannte Weltraumwetter an, jene Ausbrueche geladener Teilchen, die Satelliten stoeren, Stromnetze belasten und in extremen Faellen den Funkverkehr auf der Erde beeintraechtigen koennen. Ein besseres Modell der Aufheizung hilft, solche Ereignisse genauer vorherzusagen.

Deutsche Technik im Herzen der Kamera

An dem Erfolg hat auch die deutsche Sonnenforschung einen handfesten Anteil. Fuer die entscheidenden Aufnahmen kam eine Breitbandkamera zum Einsatz, die am Max-Planck-Institut fuer Sonnensystemforschung im niedersaechsischen Goettingen entwickelt wurde. Sie erlaubte es, die extrem feinen Kontraste auf der Oberflaeche mit hoher zeitlicher Aufloesung festzuhalten, ohne die filigranen Strukturen zu verwischen.

Das Zusammenspiel von riesigem Spiegel und praeziser Kameratechnik zeigt, wie sehr moderne Sonnenphysik auf internationale Zusammenarbeit angewiesen ist. Das Inouye-Teleskop wird von der amerikanischen National Science Foundation und dem National Solar Observatory betrieben, waehrend zentrale Instrumente aus europaeischen Laboren stammen. Nur so lassen sich Aufnahmen dieser Guete ueberhaupt gewinnen.

Fuer die Forschung beginnt mit den Bildern nun die eigentliche Arbeit. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wollen die beobachteten Wirbel systematisch vermessen und mit Simulationen abgleichen, um herauszufinden, wie viel Energie die Kelvin-Helmholtz-Instabilitaet tatsaechlich in die hoeheren Schichten transportiert. Weitere Beobachtungskampagnen mit dem Inouye-Teleskop sind bereits geplant.

Klar ist schon jetzt, dass die Aufnahmen den Blick auf unseren naechsten Stern veraendern. Was bisher als glatte, gleichfoermige Flaeche erschien, entpuppt sich als brodelndes, von Wirbeln durchzogenes Meer aus Plasma. Je schaerfer die Instrumente werden, desto deutlicher zeigt sich, dass die Sonne bis in kleinste Massstaebe hinein in staendiger, energiereicher Bewegung ist.