Unsere Sonne erzeugt einen konstanten Strom aus Plasma oder ionisiertem Gas, den sogenannten Sonnenwind, der unser Sonnensystem umhüllt. Außerhalb der schützenden Magnetosphäre der Erde bewegt sich der schnellste Sonnenwind mit Geschwindigkeiten von mehr als 500 Kilometern pro Sekunde. Doch wie der Wind genug Energie bekommt, um solche Geschwindigkeiten zu erreichen, konnten Forscher bislang nicht verstehen.
Unser Heliophysikerteam veröffentlichte im August 2024 einen Artikel, der auf eine neue Energiequelle hinweist, die den Sonnenwind antreibt.
Entdeckung des Sonnenwinds
Der Physiker Eugene Parker sagte 1958 die Existenz des Sonnenwinds voraus. Die Mariner-Sonde auf dem Weg zur Venus bestätigte seine Existenz 1962.
Seit den 1940er Jahren haben Studien gezeigt, dass die Sonnenkorona oder Sonnenatmosphäre sehr hohe Temperaturen erreichen kann – mehr als 2 Millionen Grad Fahrenheit (oder mehr als eine Million Grad Celsius).
Parkers Arbeit deutete darauf hin, dass diese extreme Temperatur einen externen thermischen Druck erzeugen könnte, der stark genug ist, um die Schwerkraft zu überwinden und ein Entweichen der äußeren Schicht der Sonnenatmosphäre zu bewirken.
Doch Wissenschaftler entdeckten schnell Lücken in der Sonnenwindwissenschaft, als Forscher immer detailliertere Messungen des Sonnenwinds in der Nähe der Erde durchführten. Insbesondere entdeckten sie zwei Probleme, die den schnellsten Teil des Sonnenwinds betreffen.
Einerseits erwärmte sich der Sonnenwind weiter, nachdem er die heiße Korona ohne jede Erklärung verlassen hatte. Und selbst mit dieser zusätzlichen Hitze hatte der schnellste Wind immer noch nicht genug Energie, als dass Wissenschaftler erklären könnten, wie er auf so hohe Geschwindigkeiten beschleunigen konnte.
Diese beiden Beobachtungen bedeuteten, dass es über Parkers Modelle hinaus eine zusätzliche Energiequelle geben musste.
Alfvén-Wellen
Die Sonne und ihr Sonnenwind sind Plasmen. Plasmen sind wie Gase, aber alle darin enthaltenen Teilchen sind geladen und reagieren auf Magnetfelder.
So wie sich Schallwellen durch die Luft ausbreiten und auf der Erde Energie transportieren, werden Plasmen von sogenannten Alfvén-Wellen durchzogen. Seit Jahrzehnten wird vorhergesagt, dass Alfvén-Wellen die Dynamik des Sonnenwinds beeinflussen und eine wichtige Rolle beim Energietransport im Sonnenwind spielen.
Wissenschaftler konnten jedoch nicht feststellen, ob diese Wellen direkt mit dem Sonnenwind interagierten oder ob sie genug Energie erzeugten, um ihn anzutreiben. Um diese Fragen zu beantworten, hätten sie den Sonnenwind sehr nah an der Sonne messen müssen.
In den Jahren 2018 und 2020 starteten die NASA und die Europäische Weltraumorganisation ihre jeweiligen Flaggschiffmissionen: Parker Solar Probe und Solar Orbiter. Beide Missionen waren mit geeigneten Instrumenten ausgestattet, um Alfvén-Wellen in der Nähe der Sonne zu messen.
Der Solar Orbiter bewegt sich zwischen einer astronomischen Einheit, wo sich die Erde befindet, und 0,3 astronomischen Einheiten, etwas näher an der Sonne als Merkur. Die Parker Solar Probe taucht viel tiefer. Er nähert sich innerhalb der äußeren Grenzen der Korona bis zu fünf Sonnendurchmessern von der Sonne entfernt. Jeder Sonnendurchmesser entspricht etwa 1.400.000 Kilometern.
Durch die Zusammenarbeit dieser beiden Missionen können Forscher wie wir nicht nur den Sonnenwind in der Nähe der Sonne untersuchen, sondern auch untersuchen, wie er sich zwischen dem Punkt, an dem Parker ihn sieht, und dem Punkt, an dem Solar Orbiter ihn sieht, verändert.
Magnetische Drehungen
Bei seiner ersten Annäherung an die Sonne beobachtete Parker, dass der Sonnenwind in der Nähe der Sonne tatsächlich reich an Alfvén-Wellen war.
Wissenschaftler nutzten Parker, um das Magnetfeld des Sonnenwinds zu messen. Zeitweise bemerkten sie, dass die Feldlinien – oder magnetischen Kraftlinien – mit einer solchen Amplitude kräuselten, dass sie kurzzeitig ihre Richtung änderten. Wissenschaftler nennen diese Phänomene „Ummagnetisierungen“. Mit Parker beobachteten sie diese energiehaltigen Plasmaschwankungen im gesamten Sonnenwind in der Nähe der Sonne.
Unser Forschungsteam wollte herausfinden, ob diese Spitzen genug Energie enthalten, um den Sonnenwind zu beschleunigen und zu erwärmen, wenn er sich von der Sonne entfernt. Wir wollten auch untersuchen, wie sich der Sonnenwind veränderte, als diese Serpentinen ihre Energie abgaben. Dies würde uns helfen festzustellen, ob die Energie der Gierbewegungen dazu genutzt wurde, den Wind zu erwärmen, ihn zu beschleunigen oder beides.
Um diese Fragen zu beantworten, haben wir eine einzigartige Raumfahrzeugkonfiguration identifiziert, bei der beide Raumfahrzeuge denselben Teil des Sonnenwinds durchquerten, jedoch in unterschiedlichen Entfernungen von der Sonne.
Das Geheimnis der Schnürsenkel
Parker beobachtete in der Nähe der Sonne, dass etwa 10 % der Energie des Sonnenwinds in magnetischen Umkehrungen steckten, während Solar Orbiter sie mit weniger als 1 % maß. Dieser Unterschied bedeutet, dass diese Wellenenergie zwischen Parker und Solar Orbiter auf andere Energieformen übertragen wurde.
Wir haben ein Modell nach dem Vorbild von Eugène Parker durchgeführt. Wir haben auf modernen Implementierungen von Parkers Originalmodellen aufgebaut und den Einfluss der beobachteten Wellenenergie in diese Originalgleichungen einbezogen.
Durch den Vergleich der beiden Datensätze und der Modelle konnten wir konkret erkennen, dass diese Energie sowohl zur Beschleunigung als auch zur Erwärmung beitrug. Wir wussten, dass es zur Beschleunigung beitrug, weil der Wind bei Solar Orbiter schneller war als bei Parker. Und wir wussten, dass es zur Erwärmung beitrug, weil der Wind am Solar Orbiter wärmer war, als wenn es die Wellen nicht gegeben hätte.
Diese Messungen zeigten uns, dass die Energie der Schleifen sowohl notwendig als auch ausreichend war, um die Entwicklung des Sonnenwinds bei seiner Entfernung von der Sonne zu erklären.
Unsere Messungen geben den Wissenschaftlern nicht nur Aufschluss über die Physik des Sonnenwinds und darüber, wie die Sonne die Erde beeinflussen könnte, sondern sie könnten auch Auswirkungen auf das gesamte Universum haben.
Viele andere Sterne haben Sternwinde, die ihre Materie durch den Weltraum tragen. Das Verständnis der Physik des Sonnenwinds unseres lokalen Sterns hilft uns auch, den Sternwind in anderen Systemen zu verstehen. Wenn wir mehr über den Sternwind erfahren, könnten wir mehr über die Bewohnbarkeit von Exoplaneten erfahren.
Dieser Artikel wurde von The Conversation erneut veröffentlicht, einer unabhängigen, gemeinnützigen Nachrichtenorganisation, die Ihnen vertrauenswürdige Fakten und Analysen liefert, die Ihnen helfen, unsere komplexe Welt zu verstehen. Es wurde geschrieben von: Yeimy J. Rivera, Smithsonian Institution; Michael L. Stevens, Smithsonian Institutionund Samuel Badman, Smithsonian Institution
Erfahren Sie mehr:
Yeimy J. Rivera erhält Mittel vom Parker Solar Probe-Projekt der NASA über den SAO/SWEAP-Untervertrag 975569.
Michael L. Stevens erhält Mittel vom Parker Solar Probe-Projekt der NASA über den SAO/SWEAP-Untervertrag 975569.
Samuel Badman erhält Mittel vom Parker Solar Probe-Projekt der NASA über den SAO/SWEAP-Untervertrag 975569.