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Erstes Foto eines solaren „Switchbacks“

Raumsonde Solar Orbiter löst Rätsel der magnetischen Spitzkehren im Sonnenwind

Switchback
Diese Aufnahme der ESA-Raumsonde Solar Orbiter zeigt erstmals einen Switchback im Sonnenwind, hier erkennbar als heller, in sich zusammengeklappter Streifen© Telloni et al./ ESA

Mysteriöser Hakenschlag: Die ESA-Raumsonde Solar Orbiter hat erstmals ein bisher rätselhaftes Phänomen im Sonnenwind fotografiert – einen einige hunderttausend Kilometer großen solaren Switchback. Bei diesen s-förmigen, magnetischen Spitzkehren im Sonnenwind war bislang unklar, wie sie entstehen. Die Bilder und Daten der Raumsonde zeigen jedoch erstmals auch die Begleiterscheinungen des Phänomens. Das ermöglichte es den Astrophysikern, den Entstehungsmechanismus der Switchbacks aufzuklären.

Der Sonnenwind prägt das gesamte Sonnensystem und seine Planeten. Denn dieser von unserem Stern ausgehende Strom von energiereichen, geladenen Teilchen kann Teile planetarer Gashüllen ins All hinausreißen, Oberflächen chemisch verändern und planetare Magnetfelder verformen. Während die Auswirkungen von Sonnenstürmen bereits relativ gut erforscht sind, weiß man bisher über die Entstehung des Sonnenwinds und seine Struktur nur wenig.

Um dies zu klären, sind zurzeit gleich zwei Raumsonden in der Nähe der Sonne unterwegs: Die ESA-Sonde Solar Orbiter liefert hochauflösende Aufnahmen unseres Sterns und erlaubt erste Blicke auch auf die solaren Pole. Die NASA-Sonde Parker Solar Probe kommt der Sonne besonders nahe und hat bereits die Grenze zur Sonnenkorona durchflogen.

Das Rätsel der Sonnenwind-Haken

Im Jahr 2019 enthüllten die Messdaten der Parker Solar Probe ein überraschendes Phänomen: Im Sonnenwind gibt es Switchbacks – kurzlebige, scharfe Kehren in den Teilchen- und Magnetströmen des Sonnenwinds. Diese hunderttausende Kilometer großen, s-förmigen Haken im Sonnenwind häufen sich offenbar, je näher man der Sonne kommt. „Dort treten diese Switchbacks in dichten, unregelmäßigen Clustern auf, die sich mit ruhigen Perioden stabiler Feld-Polarität und nur kleineren Magnetturbulenzen abwechseln“, berichten Daniele Telloni vom Astrophysikalischen Observatorium in Turin und seine Kollegen.

Doch wie diese Switchbacks entstehen, blieb bislang rätselhaft „Es ist beispielsweise nicht klar, ob sie durch Prozesse in der unteren Sonnenatmosphäre erzeugt werden oder ob sie unabhängig davon im Sonnenwind selbst entstehen“, erklärt das Team. Das lag auch daran, dass die Sensoren der Raumonden bisher immer nur lokale Schnappschüsse der Veränderungen in den Magnet- und Teilchenströmen detektieren konnten. Ein räumliches Bild oder sogar ein Foto fehlten jedoch.

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Switchback 2
Der Koronagraf deckt die Sonnenscheibe ab, um die Korona abbilden zu können. Die hier sichtbare Sonnenaufnahme wurde von den Forschern zur Verdeutlichung der Größenverhältnisse nachträglich ins Bild kopiert. © Telloni et al./ ESA

S-förmiger Knick im Plasmastrom

Das hat sich nun geändert – dank der Raumsonde Solar Orbiter. Als sie am 25. März 2022 ihren ersten nahen Vorbeiflug an der Sonne absolvierte, richtete sie auch ihren Metis-Koronagrafen auf die Sonne. Diese Spezialkamera deckt die helle Sonnenscheibe ab, damit sie hochauflösende Aufnahmen der äußeren Sonnenatmosphäre, der Korona, erstellen kann. Eines dieser Bilder zeigt einen auffallenden s-förmigen Knick in Strom des von der Sonne ausgehenden Plasmas.

„Die helle Struktur bildet sich in einer Höhe von rund 2,6 Sonnenradien, bewegt sich nach außen und faltet sich dann ein Stück zurück“, berichten Telloni und seine Kollegen. „In ihrer vollen Ausprägung zeigt die Struktur die typische S-Form.“ Das gesamte Gebilde bewegt sich dabei mit bs zu 290.000 Kilometer pro Stunde von der Sonne weg. Nach Angabe des Forschungsteams zeigt diese Aufnahme damit das erste Foto eines Switchbacks in der Sonnenkorona.

Direkt über einer aktiven Zone

Das Entscheidende jedoch: Die von anderen Instrumenten des Solar Orbiter im gleichen Moment gesammelten Daten erlaubten es dem Forschungsteam erstmals, auch die Begleiterscheinungen und genaueren Umstände dieses Phänomens zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass die s-förmige Spitzkehre direkt über einer aktiven Zone auf der Sonnenoberfläche auftrat. Deren riesige Magnetfeldschleifen ragten bis in die Höhe empor, in der sich der Switchback entwickelte.

„Noch interessanter jedoch ist, dass diese aktive Zone im Osten und Westen von Regionen mit offenen Magnetfeldlinien umgeben war“, berichten Telloni und sein Team. Diese nicht zu Schleifen geschlossenen Feldlinien wirken wie riesige Plasmaleitungen, durch die Material von der Sonnenoberfläche bis in die Korona strömen kann. Sie gelten unter anderem als Urheber des schnellen Sonnenwinds – aber auch als mögliche Ursache für die Switchbacks.

Switchback-Entstehung
Wie die Switchbacks in Sonnenwind entstehen. © ESA

Wenn sich offene und geschlossene Magnetfeldlinien treffen

Nach einer 2020 von einem Team um Gary Zank von der University of Alabama aufgestellten Theorie treten die Sonnenwind-Switchbacks dort auf, wo offene und geschlossene solare Magnetfeldlinien miteinander in Kontakt kommen. Dabei kommt es zu einer Rekonnexion der Feldlinien, die das lokale Magnetfeld ablenken kann. „Die extremsten dieser Interchange-Rekonnexionen bekommen die charakteristische S-Form und erscheinen in Vor-Ort-Messungen als Magnetfeld-Umkehrungen“, erklären Telloni und sein Team die Theorie.

Jetzt liefern die Aufnahmen und Daten des Solar Orbiter erstmals den Beleg für diese Theorie. „Schon das erste Bild von Metis, das mir Daniele Telloni zeigte, erinnerte mich sofort an die Skizzen, die wir beim Entwickeln unseres mathematischen Modells der Switchbacks gezeichnet hatten“, kommentiert Zank. Ergänzende Computersimulationen ergaben, dass die Beobachtungen ziemlich genau mit dem übereinstimmten, was man bei einer solchen Interchange-Rekonnexion erwarten würde.

„Rätsel des Ursprungs gelöst“

„Das erste Foto eines magnetischen Switchbacks in der Sonnenkorona hat direkt das Rätsel ihres Ursprungs gelöst“, sagt Telloni. „Der nächste Schritt ist es nun, auch weitere Switchbacks mit ihren Quellregionen auf der Sonne statistisch zu verknüpfen.“ Eine neue Chance dazu werden die Sonnenforscher am 13. Oktober 2022 erhalten, wenn der Solar Orbiter seinen nächsten nahen Vorbeiflug an der Sonne absolviert – er wird sie in nur 0,29 astronomischen Einheiten Entfernung passieren. (Astrophysical Journal Letters, 2022; doi: 10.3847/2041-8213/ac8104)

Quelle: ApJL, European Space Agency (ESA)

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