Wie Gasspritzer auf der Sonne entstehen

Tausende Plasmastrahlen schießen Tag für Tag mit Geschwindigkeiten von bis zu 150 Kilometern pro Sekunde aus der Oberfläche der Sonne heraus. Einem internationalen Forscherteam gelang es jetzt erstmals, die Entstehung dieser sogenannten Spikulen mithilfe von Computermodellen nachzuvollziehen. Die gebündelten Plasmaströme entstehen durch eine komplexe Wechselwirkung der lokalen Magnetfelder mit der ionisierten Materie nahe der Sonnenoberfläche, so die Wissenschaftler im Fachblatt „Science“.

Oben: Von der Sonnenoberfläche ausgehende Plasmastrahlen. Unten: Grafische Darstellung der Sonnenoberfläche mit Spikulen im Computermodell.
Spikulen

„Die Entstehung der Spikulen war bislang ein Rätsel“, schreiben Juan Martínez-Sykora vom Bay Area Environmental Research Institute in Kalifornien und seine Kollegen. Das Phänomen sei jedoch für die Sonnenforschung von großer Bedeutung: „Vermutlich spielen Spikulen nicht nur eine wichtige Rolle bei der Aufheizung der Sonnenkorona auf mehrere Millionen Grad Celsius, sondern auch bei der Entstehung des Sonnenwinds.“ Entdeckt wurden die Spikulen erstmals während einer totalen Sonnenfinsternis im Jahr 1877. Lange Zeit sahen Sonnenforscher in den aufschießenden heißen Plasmastrahlen eine Art Gasspritzer von der Sonnenoberfläche. Spektroskopische Untersuchungen zeigten jedoch, dass die Temperatur des Plasmas in den Spikulen ebenfalls mehrere Millionen Grad Celsius beträgt, während die Temperatur an der Sonnenoberfläche lediglich bei etwa 5500 Grad Celsius liegt. Damit mussten komplexere Prozesse, hervorgerufen durch die solaren Magnetfelder, verantwortlich für die Entstehung der Spikulen sein – die Details blieben jedoch bislang unklar.

Martinez-Sykora und seinen Kollegen gelang es jetzt, mehrdimensionale magnetohydrodynamische Computermodelle der Photosphäre, also der obersten Schicht der Sonne, zu erstellen. In dieser Schicht entstehen spontan Spikulen, deren physikalische Eigenschaften mit denen der beobachteten solaren Plasmaströme übereinstimmen. Ein tiefer Blick in die Simulationen zeigt, dass die Spikulen über einen komplexen mehrstufigen Prozess entstehen: Zunächst stört aufsteigendes heißes Plasma die lokale Struktur des Magnetfelds. Regionen mit höherer magnetischer Spannung steigen dann aus der Photosphäre in die darüberliegende Chromosphäre auf. Dort entlädt sich abrupt die magnetische Spannung und lässt den Plasmastrahl gebündelt und stark aufgeheizt nach oben schießen.

Die Simulationen zeigen, wie sich das Plasma der Spikulen ausbreitet und so zur Aufheizung der Sonnenkorona beiträgt. Außerdem erzeugen die Spikulen sogenannte Alfvénwellen. Diese Schwingungen breiten sich im ionisierten Gas der Korona aus, wodurch sie weiter aufheizt und zudem der Sonnenwind angetrieben wird. Hier sehen die Forscher allerdings noch Verbesserungsbedarf für ihr Modell: Es könne bislang die Abgabe der Energie von den Wellen an das Gas nicht genau berücksichtigen. Dazu sei eine noch höhere räumliche Auflösung bei den Simulationen nötig.

Spikulen auf der SonnenoberflächeMit dem Weltraumteleskop IRIS wurden die Gasspritzer am äußeren Rand der Chromosphäre aufgenommen. Bildquelle: NASA/IRIS; Lizenz: gemäß den Bedingungen der Quelle
Video von Spikulen auf der Sonnenoberfläche