Mitte 2017 tat Emily Mason fünf Monate lang jeden Tag dasselbe: In ihrem Büro im Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt (Maryland) angekommen, setzte sie sich an ihren Schreibtisch, startete ihren Computer und betrachtete Bilder der Sonne – den ganzen Tag, jeden Tag. “Ich schaute wahrscheinlich Daten an, die binnen drei oder fünf Jahren gesammelt wurden”, schätzte Mason. Im Oktober 2017 hörte sie dann auf. Sie erkannte, dass sie die ganze Zeit etwas Falsches angeschaut hatte.
Mason, eine Doktorandin an der Catholic University of America in Washington, D.C., suchte nach koronalem Regen. Dabei handelt es sich um riesige Tropfen aus Plasma oder elektrisch leitendem Gas, die aus der äußeren Sonnenatmosphäre zurück auf ihre Oberfläche fallen. Aber sie ging davon aus, sie in Helmet Streamers zu finden, den Millionen Kilometer hohen magnetischen Bögen, die während einer Sonnenfinsternis visuell beobachtet werden können. Sie ähneln dem spitz zulaufenden Helm eines Ritters, daher der Name. Computersimulationen sagten voraus, dass der koronale Regen hier gefunden werden könnte.
Beobachtungen des Sonnenwindes (der von der Sonne ausgehende Strom geladener Teilchen) deuteten darauf hin, dass der Regen auftreten könnte. Und wenn sie ihn nur finden könnte, hätte die zugrunde liegende Physik wichtige Auswirkungen auf das 70 Jahre alte Rätsel, warum die äußere Sonnenatmosphäre (die Korona) so viel heißer ist als ihre Oberfläche. Aber nach fast einem halben Jahr Suchen konnte Mason ihn einfach nicht finden. “Das war viel Suchen nach etwas, das letztendlich nie geschah”, sagte sie.
Wie sich herausstellte, lag das Problem nicht darin, wonach sie suchte, sondern wo. In einer am 5. April 2019 veröffentlichten Studie in den Astrophysical Journal Letters beschreiben Mason und ihre Co-Autoren die ersten Beobachtungen von koronalem Regen in einer kleineren, bislang übersehenen Art von magnetischem Bogen auf der Sonne. Nach einer langen Suche in der falschen Richtung formen die Ergebnisse einen neuen Zusammenhang zwischen der anomalen Aufheizung der Korona und der Quelle des langsamen Sonnenwindes – zwei der größten Rätsel in der heutigen Sonnenforschung.
Wie es auf der Sonne regnet
Mit den hochauflösenden Teleskopen an Bord des NASA-Weltraumteleskops SDO beobachtet, scheint die Sonne als heiße Plasmakugel mit magnetischen Feldlinien und riesigen Bögen nur wenige physikalische Ähnlichkeiten mit der Erde zu haben. Aber unser Heimatplanet bietet ein paar nützliche Eigenarten, um die chaotische Sonne zu erforschen, darunter Regen.
Aber der Erde ist Regen nur ein Teil des größeren Wasserkreislaufs, einem endlosen Tauziehen zwischen der drückenden Wärmeenergie und der Anziehungskraft. Er beginnt, wenn flüssiges Wasser auf den Oberflächen der irdischen Ozeane, Seen oder Flüssen von der Sonne erwärmt wird. Ein Teil des Wassers verdunstet und steigt in die Atmosphäre auf, wo es abkühlt und zu Wolken kondensiert. Letztendlich werden diese Wolken schwer genug, dass die Anziehungskraft unüberwindbar wird und das Wasser als Regen zurück auf die Erde fällt, wo der Prozess von Neuem anfängt.
Mason zufolge funktioniert der koronale Regen auf der Sonne ähnlich, “aber statt mit warmem Wasser hat man es mit Millionen Grad heißem Plasma zu tun.” Plasma, ein elektrisch geladenes Gas, sammelt sich nicht wie Wasser, sondern folgt stattdessen den magnetischen Bögen, die aus der Sonnenoberfläche auftauchen – wie eine Achterbahn den Gleisen. An den Fußpunkten der Bögen, wo sie mit der Sonnenoberfläche verbunden sind, wird das Plasma von ein paar Tausend Grad Celsius auf über eine Million Grad Celsius aufgeheizt. Dann breitet es sich über den Bogen aus und sammelt sich an dessen Gipfel, weit entfernt von der Quelle. Wenn das Plasma abkühlt, kondensiert es, und die Gravitation zieht es als koronalen Regen hinab zu den Fußpunkten des Bogens.
Mason suchte in Helmet Streamers nach koronalem Regen, aber ihre Motivation, dort zu suchen hatte mehr mit diesem zugrunde liegendem Aufheizungs- und Abkühlungskreislauf zu tun als mit dem Regen selbst. Seit mindestens Mitte der 1990er Jahre wissen Forscher, dass Helmet Streamers eine Quelle des langsamen Sonnenwindes sind, einem relativ langsamen, dichten Strom aus Gas, der neben seinem schnellen Gegenstück separat von der Sonne wegströmt. Aber Messungen des langsamen Sonnenwindes offenbarten, dass sein Gas einst extrem aufgeheizt wurde, bevor es abkühlte und der Sonne entkam. Der zyklische Prozess der Aufheizung und Abkühlung hinter dem koronalen Regen – falls er innerhalb der Helmet Streamers stattfindet – wäre ein Teil des Puzzles.
Der andere Grund bezieht sich auf das Problem der koronalen Aufheizung – dem Rätsel, wie und warum die äußere Sonnenatmosphäre etwa 300 Mal heißer ist als ihre Oberfläche. Verblüffenderweise haben Simulationen gezeigt, dass koronaler Regen nur entsteht, wenn Hitze auf den untersten Teil des Bogens einwirkt. “Wenn ein Bogen koronalen Regen aufweist, dann bedeutet das, dass die koronale Aufheizung in den unteren zehn Prozent oder weniger von ihm auftritt”, sagte Mason. Regnende Bögen bietet einen Maßstab, um festzustellen, wo die Korona aufgeheizt wird. Die Suche in den größten Bögen zu beginnen – in den riesigen Helmet Streamers – schien ein bequemes Ziel zu sein und eins, das ihre Erfolgschancen maximieren würde.
Sie hatte die besten Daten für diese Arbeit: Bilder des Solar Dynamics Observatory (SDO), einem NASA-Weltraumteleskop, das die Sonne seit seinem Start im Jahr 2010 alle zwölf Sekunden fotografierte. Aber nach fast einem halben Jahr Suchen hatte Mason immer noch keinen einzigen “Regentropfen” in einem Helmet Streamer beobachtet. Sie hatte allerdings eine Verschiebung winziger magnetischer Strukturen bemerkt – Strukturen, mit denen sie nicht vertraut war. “Sie waren wirklich hell und zogen meine Aufmerksamkeit auf sich”, sagte Mason. “Als ich sie endlich anschaute, gab es zig Stunden Regen auf einmal.”
Zunächst war Mason so auf ihre Aufgabe mit den Helmet Streamers konzentriert, dass sie sich nichts aus den Beobachtungen machte. “Sie kam zum Gruppentreffen und sagte: ‘Ich habe ihn nie gefunden. Ich sehe ihn ständig in diesen anderen Strukturen, aber das sind keine Helmet Streamers'”, sagte die Sonnenforscherin Nicholeen Viall vom Goddard Space Flight Center, Co-Autorin der Studie. “Und ich sagte: ‘Warte mal kurz. Wo hast du ihn gesehen? Ich glaube nicht, dass irgendjemand das zuvor gesehen hat!’.”
Ein Maßstab für die Aufheizung
Diese Strukturen unterschieden sich von Helmet Streamers auf verschiedene Arten. Aber das Verblüffendste an ihnen war ihre Größe. “Diese Bögen waren viel kleiner als das, wonach wir suchten”, sagte Spiro Antiochos vom Goddard Space Flight Center und ebenfalls ein Co-Autor der Studie. “Das verrät uns, dass die Aufheizung der Korona viel lokalisierter auftritt, als wir annahmen.”
Obwohl die Ergebnisse nicht genau sagen, wie die Korona aufgeheizt wird, “engen sie den Ort ein, wo die koronale Aufheizung stattfinden könnte”, sagte Mason. Sie hatte regnende Bögen gefunden, die rund 48.000 Kilometer hoch waren – etwa zwei Prozent der Höhe von einigen Helmet Streamers, nach denen sie ursprünglich gesucht hatte. Und der Regen kondensiert die Region, in der die koronale Aufheizung stattfinden kann. “Wir wissen noch nicht genau, was die Korona aufheizt, aber wir wissen, dass es in dieser Schicht passieren muss”, sagte Mason.
Eine neue Quelle für den langsamen Sonnenwind
Aber ein Teil der Beobachtungen passte nicht zu den früheren Theorien. Der gängigen Theorie zufolge entsteht koronaler Regen nur auf geschlossenen Bögen, wo das Plasma sich sammeln und abkühlen kann, ohne Entweichen zu können. Aber als Mason die Daten sichtete, fand sie Fälle, wo der koronale Regen auf offenen magnetischen Feldlinien entstand. Diese offenen magnetischen Feldlinien sind nur an einem Ende mit der Sonne verbunden; das andere Ende erstreckt sich in den Weltraum, und Plasma dort könnte in den Sonnenwind entweichen. Um die Anomalie zu erklären, entwickelten Mason und das Team eine alternative Erklärung: eine, die den Regen auf diesen winzigen magnetischen Strukturen mit den Ursprüngen des langsamen Sonnenwind in Zusammenhang setzt.
In der neuen Erklärung beginnt das regnende Plasma seine Reise auf einem geschlossenen Bogen, aber der verwandelt sich durch einen als magnetische Rekonnexion bekannten Prozess in einen offenen. Das Phänomen tritt auf der Sonne häufig auf, wenn ein geschlossener Bogen auf eine offene Feldlinie trifft und das System sich selbst neu verbindet. Plötzlich findet sich das superheiße Plasma des geschlossenen Bogens auf einer offenen Feldlinie wieder – wie ein Zug, der das Gleis gewechselt hat. Ein Teil dieses Plasmas wird rasch expandieren, abkühlen und als koronaler Regen auf die Sonne zurückfallen. Aber ein anderer Teil wird entkommen und, so vermuten die Wissenschaftler, zu einem Teil des langsamen Sonnenwindes werden.
Mason arbeitet derzeit an einer Computersimulation der neuen Erklärung, aber sie hofft auch, dass baldige Beobachtungen sie bestätigen werden. Jetzt da die im Jahr 2018 gestartete Parker Solar Probe enger an der Sonne vorbeifliegt als jede andere Sonde vor ihr, kann sie durch Ausbrüche des langsamen Sonnenwindes fliegen, die zur Sonne zurückverfolgt werden können – möglicherweise zu einem von Masons koronalen Regenschauern. Nach der Beobachtung von koronalem Regen auf einer offenen Feldlinie wäre das ausströmende Plasma, das mit dem Sonnenwind entweicht, normalerweise für die Nachwelt verloren. Aber jetzt nicht mehr. “Vielleicht können wir mit der Parker Solar Probe diesen Zusammenhang herstellen und sagen, dass es das war”, sagte Viall.
Durchsuchen der Daten
Und was ist mit koronalem Regen in Helmet Streamers? Die Suche geht weiter. Die Simulationen sind klar: Der Regen sollte dort sein. “Vielleicht ist er so klein, dass man ihn nicht sehen kann?”, sagte Antiochos. “Wir wissen es wirklich nicht.”
Aber auf der anderen Seite hätte Mason die Entdeckung vielleicht nicht gemacht, wenn sie gefunden hätte, wonach sie suchte – oder sie hätte die ganze Zeit damit verbracht, etwas über die Besonderheiten von Sonnendaten zu erfahren.
“Es klingt wie eine Schinderei, aber ehrlich gesagt, mache ich das am liebsten”, sagte Mason. “Ich meine, genau deshalb haben wir etwas gebaut, das so viele Bilder der Sonne macht: Wir können sie angucken und es herausfinden.”
(THK)
Antworten