Melden Sie sich für den Wissenschaftsnewsletter „Wonder Theory“ von CNN an. Entdecken Sie das Universum mit Neuigkeiten über faszinierende Entdeckungen, wissenschaftliche Fortschritte und mehr.
Der deutsche Astronom Johannes Kepler fertigte 1607 anhand seiner Beobachtungen der Sonnenoberfläche Skizzen von Sonnenflecken an. Jahrhunderte später helfen diese bahnbrechenden Zeichnungen Wissenschaftlern, ein Sonnenrätsel zu lösen.
Obwohl sich im Sonnensystem alles um die Sonne dreht, müssen Wissenschaftler viele Geheimnisse des Sterns noch entschlüsseln.
Die Untersuchung der zeitlichen Variabilität der Sonne, einschließlich des Sonnenzyklus, könnte jedoch einige der ältesten Fragen über den feurigen Stern und seine Entwicklung beantworten.
Einige dieser Fragen drehen sich um die Sonnenaktivität im 17. Jahrhundert, einer entscheidenden Zeit für die Erforschung der Sonne.
Astronomen beobachteten erstmals 1610 Sonnenflecken mit Teleskopen. Gleichzeitig durchlief die Sonne eine ungewöhnliche Übergangsphase zu einer längeren Phase abgeschwächter Aktivität. Keplers Skizzen, die lange ignoriert wurden, weil es sich eher um Zeichnungen als um Teleskopbeobachtungen handelte, könnten entscheidende historische Informationen liefern.
Eine neue Studie, die die Umstände nachstellt, unter denen Kepler seine Zeichnungen anfertigte, erschien am 25. Juli in The Astrophysical Journal Letters.
„Kepler trug im 17. Jahrhundert zu vielen historischen Referenzen in der Astronomie und Physik bei und hinterließ sein Erbe auch im Weltraumzeitalter“, sagte der Hauptautor der Studie, Hisashi Hayakawa, Assistenzprofessor am Institut für Weltraum-Erde-Umweltforschung der Universität Nagoya. in einer Pressemitteilung.
„Hier fügen wir hinzu, dass Keplers Sonnenfleckenuntersuchungen mehrere Jahre älter sind als die bestehenden teleskopischen Sonnenfleckenuntersuchungen aus dem Jahr 1610. Seine Sonnenfleckenskizzen zeigen seinen wissenschaftlichen Scharfsinn und seine Beharrlichkeit angesichts technologischer Zwänge. »
Die turbulente Aktivität der Sonne
Die Sonne durchläuft einen 11-jährigen Zyklus zunehmender und abnehmender Aktivität, der als Sonnenzyklus bezeichnet wird. Derzeit gehen Wissenschaftler davon aus, dass sich die Sonne auf oder nahe ihrem Sonnenmaximum befindet, dem jährlichen Höhepunkt ihrer Aktivität für den aktuellen Sonnenzyklus, der als Sonnenzyklus 25 bezeichnet wird.
Das Sonnenmaximum ist im Allgemeinen mit einer Zunahme der Anzahl sichtbarer Sonnenflecken auf der Sonnenoberfläche verbunden. Diese dunklen Regionen, von denen einige erdgroß oder größer sein können, werden durch die starken und sich ständig ändernden Magnetfelder der Sonne erzeugt.
Heutzutage verfolgen Wissenschaftler die Sonnenaktivität anhand von Daten von Boden- und Weltraumobservatorien, magnetischen Karten der Sonnenoberfläche und Ultraviolettbeobachtungen der äußeren Sonnenatmosphäre.
Doch schon vor Jahrhunderten war der Versuch, die Sonne zu beobachten, eine schwierige Aufgabe.
Sonnenflecken wurden mit bloßem Auge durch Nebel, Dunst, Waldbrandrauch oder kurz vor Sonnenaufgang oder Sonnenuntergang beobachtet, wenn die Atmosphäre dazu beitrug, die Helligkeit der Sonne zu dämpfen, sagte Mark Miesch, Forscher am Space Weather Prediction Center der National Oceanic and Atmospheric Administration Boulder, Colorado. Miesch war an der neuen Forschung nicht beteiligt.
Kepler verwendete ein Gerät namens Dunkelkammer, das ein kleines Loch in der Wand des Instruments nutzte, um das Bild der Sonne auf ein Blatt Papier zu projizieren und die von ihm beobachteten Merkmale zu zeichnen. Kepler glaubte fälschlicherweise, dass er im Mai 1607 den Merkur fotografiert hatte, der die Sonne umkreiste, widerrief dies jedoch elf Jahre später und stellte fest, dass er eine Gruppe von Sonnenflecken beobachtet hatte.
„Da es sich bei dieser Aufzeichnung nicht um eine Teleskopbeobachtung handelte, wurde sie nur im Kontext der Wissenschaftsgeschichte diskutiert und im 17. Jahrhundert nicht für quantitative Analysen von Sonnenzyklen verwendet“, sagte er.
„Aber es ist die älteste Skizze eines Sonnenflecks, die jemals durch instrumentelle Beobachtung und Projektion erstellt wurde. Wir erkannten, dass diese Sonnenfleckenzeichnung in der Lage sein sollte, uns den Ort des Sonnenflecks zu verraten und die Phase des Sonnenzyklus im Jahr 1607 anzuzeigen, vorausgesetzt, wir können den Beobachtungszeitpunkt und die Beobachtungszeit verfeinern und die Neigung der heliographischen Koordinaten rekonstruieren – das heißt, die Positionen der Elemente auf der Sonnenoberfläche – zu dieser Zeit. »
Ein tolles Sonnenminimum
Sonnenflecken sind nicht die einzige Möglichkeit für Wissenschaftler, Veränderungen auf der Sonne zu verstehen. Variationen im Magnetfeld der Sonne regulieren die Bewegung hochenergetischer Teilchen, der sogenannten kosmischen Strahlung, durch den Weltraum, erklärte Miesch.
Wenn kosmische Strahlen auf die Erdatmosphäre treffen, können sie deren Chemie, einschließlich der Kohlenstoffbilanz, verändern.
„Mit der Zeit wird dieser Kohlenstoff in Pflanzen und Tiere und sogar in uns selbst eingebaut“, sagt Miesch. „Baumringe bieten eine einzigartige Möglichkeit, Kohlenstoffveränderungen von einem Jahr zum nächsten zu verfolgen. Einige alte Baumringe können über Tausende von Jahren verfolgt werden. Isotope von Kohlenstoff und anderen Elementen können auch durch in Eisbohrkernen eingeschlossene Luftblasen verfolgt werden. »
In Baumringen und Eisbohrkernen eingeschlossene Kohlenstoffisotope wurden verwendet, um alte Sonnenfleckenbeobachtungen zu kontextualisieren und unser Verständnis der Sonnenaktivität vor Sonnenfleckenbeobachtungen zu erweitern, sagte Miesch.
Diese Daten wurden verwendet, um Astronomen dabei zu helfen, das Maunder-Minimum zu verstehen, eine Periode extrem schwacher und anomaler Sonnenzyklen zwischen 1645 und 1715. Während des sogenannten Großen Sonnenminimums verschwanden Sonnenflecken praktisch, und die wenigen beobachteten sind nur noch aufgetaucht auf der südlichen Sonnenhalbkugel. Der grundlegende Mechanismus des Großen Sonnenminimums wird unter Astronomen noch heute diskutiert, insbesondere wenn sie versuchen zu bestimmen, wann und ob dieses Phänomen in den kommenden Jahrhunderten auftreten könnte.
Aber Astronomen sind sich einig, dass sich das Muster der Sonnenaktivität allmählich von regelmäßigen Zyklen zu einem großen Minimum veränderte.
Frühere Analysen von Baumringen legten nahe, dass ein kurzer Sonnenzyklus, der Sonnenzyklus minus 14, nur etwa fünf Jahre dauerte und zu einem extrem langen Sonnenzyklus von 16 Jahren führte, der als Sonnenzyklus minus 13 bekannt ist.
„Wenn es wahr ist, wäre das tatsächlich interessant“, sagte Hayakawa. „Eine andere Rekonstruktion basierend auf Baumringen deutete jedoch auf eine Abfolge von Sonnenzyklen normaler Dauer (11 Jahre) hin. Welcher Rekonstruktion sollten wir also vertrauen? Es ist äußerst wichtig, diese Rekonstruktionen mit unabhängigen, vorzugsweise Beobachtungsaufzeichnungen zu überprüfen. »
Anschließend wandte er sich Keplers Skizzen zu.
Hayakawa und seine Kollegen übersetzten Keplers Originalbericht, der in Latein verfasst war, um die genaue Ausrichtung seiner Sonnenfleckenskizzen zu verstehen und die Bandbreite der Zeiten und Orte zu verfeinern, in denen Kepler die Beobachtungen machte.
Anschließend besuchte Hayakawa Orte in Prag, darunter Keplers Residenz in der französischen Krone und die Werkstatt des Hofmechanikers Justus Burgi, um die Topographie besser zu verstehen, von der aus Kepler die Sonnenflecken betrachtete.
Mithilfe moderner Datentools konnten Hayakawa und seine Kollegen die Neigung des Sonnenflecks berechnen und seine Position auf der Sonne bestimmen. Sie wandten auch das Spörersche Gesetz an, das erstmals vom englischen Amateurastronomen Richard Christopher Carrington beobachtet, aber vom deutschen Astronomen Gustav Spörer weiterentwickelt wurde, der eine Wanderung von Sonnenflecken von hohen in niedrigere Breiten während eines Sonnenzyklus beschrieb.
Das Forscherteam stellte fest, dass die von Kepler beobachtete Gruppe von Sonnenflecken zum Ende des Sonnenzyklus minus 14 und nicht zum Beginn des Sonnenzyklus minus 13 gehörte.
Die Ergebnisse dieser Studie bestätigen die Annahme, dass der Sonnenzyklus minus 13 normalerweise eine Dauer von 11 Jahren statt 16 Jahren hätte. Die Forscher konnten außerdem abschätzen, dass der Sonnenzyklus minus 13 wahrscheinlich zwischen 1607 und 1610 begann.
„Dies zeigt einen typischen Übergang vom vorherigen Sonnenzyklus zum nächsten, der mit dem Spörerschen Gesetz übereinstimmt“, sagte der Co-Autor der Studie, Thomas Teague, ein Beobachter am Centre for Solar Influence Data Analysis, in einer Erklärung des Königlichen Observatoriums von Belgien .
Angesichts der Tatsache, dass der längste aufgezeichnete Sonnenzyklus der letzten drei Jahrhunderte 14 Jahre dauerte, sei es an der Zeit, einen weiteren wissenschaftlichen Vorläufer des Maunder-Minimums zu finden, sagte Hayakawa.
Keplers bleibendes Erbe
Von historischen Persönlichkeiten wie Kepler könne man noch viel lernen, sagte Sabrina Bechet, Mitautorin der Studie und Forscherin am Königlichen Observatorium von Belgien.
„Wie mir einer meiner Kollegen sagte, ist es faszinierend zu sehen, wie die von historischen Persönlichkeiten hinterlassenen Dokumente den modernen Wissenschaftlern auch Jahrhunderte später entscheidende wissenschaftliche Implikationen vermitteln“, sagte Bechet. „Im Fall von Kepler stehen wir auf den Schultern eines wissenschaftlichen Giganten. »
Die Kepler-Skizzen tragen dazu bei, die laufenden Debatten über die Sonnenzyklen zu beleuchten, die zum Maunder-Minimum führten, und könnten Astronomen auch dabei helfen, die Bedingungen vor dem Ereignis zu modellieren, sagte Hayakawa.
„Durch die Einordnung von Keplers Erkenntnissen in umfassendere Rekonstruktionen der Sonnenaktivität gewinnen Wissenschaftler einen entscheidenden Kontext für die Interpretation von Veränderungen im Sonnenverhalten in dieser entscheidenden Periode, die einen Übergang von regulären Sonnenzyklen zum großen Sonnenminimum markiert“, erklärte er.
Miesch nannte die neue Studie eine „beeindruckende Arbeit“ und ein Beispiel für detektivische Arbeit, die aus historischen Dokumenten neue Informationen ableitet.
„Die lange Geschichte der Sonnenfleckenbeobachtungen ermöglicht es uns, über die Jahrhunderte hinweg bis zu Generationen von Astronomen zurückzuverfolgen, die die Sonne mit Ehrfurcht und Neugier beobachteten und dabei vom Aberglauben zur wissenschaftlichen Untersuchung und zum wissenschaftlichen Verständnis übergingen.“ Es ist inspirierend zu sehen, dass Astronomen der Vergangenheit weiterhin zu wissenschaftlichen Entdeckungen beitragen. Und ihre Bemühungen sind heute wichtiger, als sie es sich jemals hätten vorstellen können, da unsere technologische Gesellschaft immer anfälliger für zeitlose Schwankungen der Sonnenaktivität wird. »
Für weitere CNN-Nachrichten und Newsletter erstellen Sie ein Konto bei CNN.com