Sonnenkorona während einer Sonnenfinsternis
Mehrere Millionen Grad heiß: Sonnenkorona während der Sonnenfinsternis 1999. Bildrechte: imago/imagebroker/lenz

Flüssigmetall-Experiment Dresdner Forscher lüften Geheimnis der Koronaheizung der Sonne

03. Januar 2022, 17:29 Uhr

Es gilt als eines der großen Rätsel der Sonnenphysik: Obwohl auf der Oberfläche der Sonne nur 6.000 Grad Celsius herrschen, bringt es die darüber liegende Sonnenkorona auf mehrere Millionen Grad. Dresdner Forscher haben nun einen wichtigen Aspekt der "Koronaheizung" aufgeklärt.

Obwohl im Zentrum der Sonne unvorstellbare 15 Millionen Grad Celsius herrschen, ist es an ihrer Oberfläche mit gerade einmal 6.000 Grad vergleichsweise "kalt". "Umso erstaunlicher ist es, dass in der darüber liegenden Sonnenkorona plötzlich wieder Temperaturen von mehreren Millionen Grad vorherrschen", sagt Dr. Frank Stefani vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).

Großes Rätsel der Sonnenphysik

Stefani hat sich mit seinem Team am HZDR-Institut für Fluiddynamik intensiv mit dem Phänomen der "Koronaheizung" beschäftigt. Für den Physiker ist sie eines der großen Rätsel der Sonnenphysik. Dahinter steht die einfache Frage: "Warum ist der Topf wärmer als der Herd?"

Eine im wahrsten Sinne des Wortes "heiße Spur" führte die Dresdner Forscher dabei in jenen Bereich der Sonnenatmosphäre, der direkt unterhalb der Korona liegt. In dieser Gasschicht, dem sogenannten magnetischen Baldachin, sorgen Magnetfelder und niederfrequente Plasmawellen – "Alfvénwellen" genannt – für die Aufheizung des Plasmas und damit auch der darüber liegenden Sonnenkorona.

Alfvénwellen und Magnetfelder

Dr. Frank Stefani, 2017
Dr. Frank Stefani (Archivbild von 2017). Bildrechte: IMAGO / Rainer Weisflog

Dass für die Heizung der Korona Magnetfelder eine dominierende Rolle spielen, ist in der Sonnenphysik schon länger akzeptiert. Die Rolle der Alfvénwellen war bislang jedoch nur theoretisch vorhergesagt worden.

In einem hochkomplexen Laborversuch haben Stefani und Kollegen das Verhalten der niederfrequenten Plasmawellen nun erstmals experimentell bestätigt. Dabei konnten sie beweisen, dass die Frequenz und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Alfvénwellen mit der Stärke der Magnetfelder wächst, ähnlich einer Gitarrensaite, deren Tonhöhe mit ihrer Spannung steigt.

Erstmals Schallmauer durchbrochen

In einer Schmelze des Alkalimetalls Rubidium gelang ihnen mithilfe eines Magnetfelds die Erzeugung von Alfvénwellen, die bei einer Feldstärke von 54 Tesla (das ist mehr als das 1-Millionenfache der Stärke des Erdmagnetfeldes) in eine halbierte Frequenz wechselten. Die Alfvénwellen von Stefanis Team hatten somit erstmals die Schallmauer durchbrochen. Diese plötzlich einsetzende Periodenverdopplung war in perfekter Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen, die Stefani zuvor mit dem Ziel umrissen hatte:

Unterhalb der Korona liegt der sogenannte magnetische Baldachin, eine Schicht, in der Magnetfelder weitgehend parallel zur Sonnenoberfläche ausgerichtet sind. Hier haben Schall- und Alfvénwellen in etwa die gleiche Geschwindigkeit und können sich deshalb leicht ineinander umwandeln. Genau an diesen magischen Punkt wollten wir vordringen – dahin, wo die schockartige Verwandlung der magnetischen Energie des Plasmas in Wärme ihren Anfang nimmt.

Dr. Frank Stefani HZDR-Institut für Fluiddynamik

Wichtiges Detail zur Koronaheizung

Obwohl sich noch nicht alle beobachteten Effekte problemlos erklären lassen, trägt die Arbeit der Dresdner Helmholtz-Forscher ein wichtiges Detail zur Lösung des Rätsels der Koronaheizung der Sonne bei. Die Studie von Stefani und Kollegen wurde in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

(dn)

Sonne 3 min
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