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Samstag, 25.06.2016
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Nanoflares heizen Sonnenkorona auf

Lokale Energieausbrüche erklären Rätsel der extrem heißen Sonnenatmosphäre

Warum sind die Temperaturen in der äußeren Atmosphäre der Sonne, der Korona, so viel höher als auf ihrer Oberfläche? Genau an dieser Frage rätseln Astrophysiker seit Jahrzehnten. Jetzt haben neue Daten des japanischen Satelliten Hinode die Ursache enthüllt: Winzige Energieausbrüche, so genannte Nanoflares, heizen die Atmosphäre auf.
In der Korona der Sonne ist die Hitze extrem: Bis auf eine Millionen Grad Celsius können die Temperaturen ansteigen. Auf der Oberfläche des Sterns, in der Photosphäre herrschen dagegen geradezu „kühle“ 5.500°C. Woher aber kommt die enorme Hitze? Eine Theorie geht davon aus, dass die koronaren Filamente - durch Magnetfeldlinien gebildete Schleifen aus ionisiertem Gas – eine Schlüsselrolle dabei spielen.

Falschfarbenbild der Sonnenaktivität. Blau= Plasmatemperaturen nahe zehn Millionen Kelvin

Falschfarbenbild der Sonnenaktivität. Blau= Plasmatemperaturen nahe zehn Millionen Kelvin

Mehrere Millionen Grad Hitze


Ein Forscherteam unter Leitung von James Klimchuk, Astrophysiker am Laboratorium für solare Physik des Goddard Space Flight Center der NASA, hat nun ein neues Modell aufgestellt, das die enorme Aufheizung der Korona erklärt. Sie stellten es jetzt bei der Versammlung der Internationalen Astronomischen Vereinigung (IAU) in Rio de Janeiro vor. Gestützt wird es durch neue Beobachtungen des japanischen Sonnenbeobachtungssatelliten Hinode.

Sowohl das Röntgenteleskop XRT als auch das Extreme-Ultraviolet Imaging Spectrometer (EIS) an Bord der Sonde zeigen, dass ultraheißes Plasma vor allem über aktiven Regionen der Sonnenoberfläche zu finden ist. Beide Instrumente maßen an diesen Stellen Temperaturen von mehreren Millionen Grad. „Solche Temperaturen können nur durch impulsive Energieausbrüche erzeugt werden“, erklärt Klimchuk.


Energieausbrüche in koronaren „Loops“


Ein weiterer Faktor, der den Forschern auffiel, war die Tatsache, dass die Instrumente die größte Hitze immer dort registrierten, wo die koronaren Filamente die größte Dichte aufwiesen. Das gängige Modell geht davon aus, dass die Dichte eines koronaren Filaments von seiner Länge und Temperatur abhängt. Doch die jetzigen Messungen zeigen, dass die „Loops“ teilweise eine sehr viel höhere Dichte besitzen als es die Theorie vorhersagt.

Die Wissenschaftler um Klimchuk haben nun ein neues Modell entwickelt, dass diese Diskrepanzen erklärt. Demnach sind kleine, lokale Energie- und Hitzeausbrüche, die so genannten Nanoflares, die Basis dieser Phänomene. „Sie ereignen sich innerhalb der winzigen Fäden, die zusammen als Bündel die magnetischen Schleifen der koronaren Filamente bilden“, erklärt Klimchuk. „Sie werden durch die Stürme der Nanoflares aufgeheizt.”

Die Wissenschaftler konstruierten ein theoretisches Modell und simulierten darin, wie sich das Plasma in den koronaren Schleifen entwickelt. „Wir simulieren einen Hitzeausbruch und sehen, wie die Korona reagiert“, so der Forscher. „Dann ermitteln wir daraus, wie viel Emission wir von dem Plasma bei unterschiedlichen Temperaturen sehen sollten.“

Aktive Regionen der Sonne aufgenommen mit dem XRT-Instrument der Sonde Hinode

Aktive Regionen der Sonne aufgenommen mit dem XRT-Instrument der Sonde Hinode

Hitzeaustausch innerhalb der Schleifen


Nach Ansicht der Wissenschaftler heizt sich das Plasma in den Regionen mit Loops sehr niedriger Dichte und Temperatur bei einem solchen Nanoflare besonders schnell bis auf mehrere Millionen Grad auf. Die Dichte bleibt dabei jedoch niedrig, so dass die Strahlung zunächst ebenfalls schwach bleibt. Dann strömt die Hitze hinunter zur Basis des koronaren Filaments und gelangt in eine Region dichteren, kühleren Plasmas, das nun ebenfalls aufgeheizt wird. Wegen der höheren Dichte kann die Temperatur hier jedoch maximal eine Millionen Grad Kelvin erreichen.

Auf diese Weise bilden bildet ein koronares Filament eine Ansammlung von sehr vielen heißen, aber weniger hell strahlenden Bereichen sowie wenigen Bereiche, in denen die Helligkeit und Dichte höher sind, aber die Temperaturen etwas niedriger liegen. „Was wir sehen ist ein Plasma von einer Million Grad Kelvin, dass seine Energie von der Hitze speist, die von dem superheißen Plasma weiter oben speist“, so Klimchuk.

Erster Nachweis der Nanoflares durch Sondendaten


Dieses Szenario wird auch von den Beobachtungen der Hinode-Sonde unterstützt: „Zum ersten Mal haben wir jetzt dieses zehn Millionen Grad Kelvin heiße Plasma nachgewiesen, das nur durch Energieausbrüche von Nanoflares entstanden sein kann.“ Tatsächlich liefern die Satellitendaten den ersten Nachweis, dass die bisher nur theoretisch vorhergesagten Nanoflares existieren.

Sie deuten darüber hinaus darauf hin, dass „es eine Nanoflare-Aktivität fast überall in den aktiven Regionen der Sonne gibt“, so Klimchuk. Nach Ansicht der Forscher gibt diese neue Erkenntnis neue Einblicke in die Prozesse auf unserem Zentralstern und helfen bei dem Verständnis auch der Wechselwirkungen zwischen Sonne und Erde im All.
(NASA/Goddard Space Flight Center, 19.08.2009 - NPO)