Sonne und Heliosphäre

Die Sonne - der Gigant aus Gas

Die Sonne ist ein 1,4 Millionen Kilometer großer Gasball, der hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium besteht und 99,8 Prozent der Masse des Planetensystems in sich vereint. Im 15 Millionen Grad Celsius heißen Zentrum der Sonne verschmelzen Atomkerne von Wasserstoff zu Helium. Die dabei frei werdende Energie wird durch Strahlung und Gasströmungen (Konvektion) bis zur sichtbaren, 6000 Grad heißen Sonnenoberfläche transportiert und dort in den Weltraum abgestrahlt.

Abb. 1: Ein Blick ins Innere der Sonne. Die Schwingungen der Sonne (rechts dargestellt) liefern ein detailliertes Bild des Sonneninneren. Starke Magnetfelder erzeugen Sonnenflecken (Vergrößerung, mit der Erde zum Größenvergleich). Im Hintergrund ist die heiße und ausgedehnte Sonnenkorona dargestellt.

Vermutlich erzeugen Gasströmungen im Inneren der Sonne ein Magnetfeld, das an der Oberfläche dunkle Flecken und andere Erscheinungen hervorruft. In der weit ausgedehnten Korona, die ohne besondere Hilfsmittel nur während einer totalen Sonnenfinsternis sichtbar ist, nimmt die Temperatur wieder auf mehr als eine Million Grad zu. Das heiße Gas der Korona bleibt überwiegend im Magnetfeld der Sonne gefangen wie in einem Käfig. Ein Teil des Gases entweicht jedoch und strömt als Sonnenwind mit einer Geschwindigkeit von bis zu drei Millionen Kilometern pro Stunde durch den interplanetaren Raum.

Abb. 2: Spektakulärer koronaler Massenauswurf (CME), beobachtet mit dem teilweise am Institut gebauten LASCO-Instrument auf der Raumsonde SOHO. Die Gaswolken werden mit Geschwindigkeiten von bis zu sieben Millionen Kilometern pro Stunde ausgestoßen und können auf der Erde zu starken magnetischen Störungen führen. Die Erde wäre auf dem Bild ein Punkt, ähnlich wie die Sterne, die im Hintergrund zu sehen sind.

Am Institut studieren die Forscher die ganze Vielfalt der dynamischen und oft spektakulären Prozesse der Sonne - vom Sonneninneren bis zur äußeren Heliosphäre. Im Brennpunkt der Forschung steht dabei das Magnetfeld, das bei diesen Prozessen eine entscheidende Rolle spielt. Gesucht werden Antworten auf grundlegende Fragen: Wie wird das Magnetfeld der Sonne erzeugt? Warum schwankt es in einem elfjährigen Rhythmus? Wie verbindet das Magnetfeld der Sonne die verschiedenen Schichten der Sonnenatmosphäre miteinander? Wie wird die Korona auf mehrere Millionen Grad aufgeheizt?

Abb. 3: Heißes Gas bleibt in Magnetfeldbögen gefangen. Dieses Bild eines solchen Bogens (und seiner Projektionen) entstand aus der Analyse von Beobachtungen mit dem deutschen Sonnenteleskop auf der Kanarischen Insel Teneriffa.

Grundlegend neue Erkenntnisse über die Sonne haben am Institut entwickelte Instrumente auf den Raumsonden SOHO und Ulysses geliefert. So wurde durch Messungen des UV-Spektrometers SUMER auf SOHO die entscheidende Rolle des Magnetfeldes bei dynamischen Prozessen erkannt, während Ulysses erstmals die dreidimensionale Struktur des Sonnenwindes ausgelotet hat.

Abb. 4 und 5: Ein "Sonnentornado": Die Spikule über dem Sonnenrand, beobachtet mit dem UV-Spektrometer SUMER auf SOHO, besteht aus 230000 Grad heißem, herausgeschleudertem Gas. Aufgrund der Dopplerverschiebung des Lichtes kann die Rotationsgeschwindigkeit von 50000 Kilometern pro Stunde sichtbar gemacht werden (rechts).

Die Sonne - ein Stern, der Leben spendet

Mit ihrer Strahlung liefert die Sonne der Erde die Wärme, ohne die es kein Leben geben kann. Veränderungen auf der Sonne sind daher immer auch hinsichtlich ihrer möglichen Auswirkungen auf die Biosphäre der Erde zu betrachten. So fanden Forscher durch Messinstrumente auf Satelliten heraus, dass die Gesamthelligkeit der Sonne im elfjährigen Zyklus ihres Magnetfelds um etwa 0,1 Prozent schwankt. Obwohl diese Veränderung nur gering ist, kann sie dennoch das empfindliche Gleichgewicht des Erdklimas beeinflussen.

Abb. 6: Die Sonne im Licht einer ultravioletten Emissionslinie des neutralen Heliums, die bei 20000 Kelvin ausgestrahlt wird. In dem dunkleren Gebiet um die Polkappe - dem koronalen Loch - liegen die Quellen des schnellen Sonnenwindes, der von der Sonne aus in die Heliosphäre bläst.

Gewaltige Eruptionen auf der Sonne schleudern Wolken aus Gas und Magnetfeldern in den Weltraum und auch auf das irdische Magnetfeld. Besonders starke Sonnenstürme können diesen natürlichen Schutzschild durchbrechen und so zu intensiven Polarlichtern, aber auch zur Beeinträchtigung des Funkverkehrs und möglichen Beschädigungen von Kommunikationssatelliten, Telefon- und Hochspannungsleitungen führen. Die Beeinflussung der Erde durch die schwankende Aktivität der Sonne ist ein wichtiges Forschungsthema am Institut. So arbeiten die Wissenschaftler intensiv am NASA-Projekt STEREO mit, bei dem zwei Raumsonden aus verschiedenen Sichtwinkeln Störungen von der Sonne bis zur Erde verfolgen und so eine Vorhersage von potenziell gefährlichen Ereignissen gestatten werden.

Abb. 7: Der Anstieg der mittleren Temperatur der Atmosphäre in den letzten 150 Jahren (rechte Skala, im Vergleich zur Temperatur im Jahr 1960) zeigt nur bis etwa 1980 auffallende Parallelen zum Anstieg der Strahlungsleistung der Sonne (linke Skala).

Zukünftige Projekte konzentrieren sich auf die Erforschung der physikalischen Ursachen der Veränderungen auf der Sonne. Das unter Leitung des Instituts im Bau befindliche Teleskop Sunrise wird an einem Ballon 40 Kilometer über der Antarktis die Struktur des Magnetfelds in den oberflächennahen Schichten untersuchen. Mit einer räumlichen Auflösung von 35 Kilometern auf der Sonne werden diese Messungen neue Maßstäbe an Detailgenauigkeit setzen.

Abb. 8 und 9: Das ballongetragene Sonnenobservatorium Sunrise wird ab 2007 in der Antarktis operieren. Es wird kleinskalige Strukturen auf der Sonnenoberfläche auflösen, die bisher nur von theoretischen Modellen vorhergesagt werden. Die Abbildung links zeigt ein Strukturmodell des im Bau befindlichen Teleskops.

Bei der ehrgeizigen ESA-Mission Solar Orbiter, die aus einem Vorschlag des Instituts hervorging, wird eine Sonde bis auf 20 Prozent des Abstands Erde - Sonne an den Stern heranfliegen und das Magnetfeld und seine Auswirkungen in den verschiedenen Schichten der solaren Atmosphäre untersuchen.

Abb. 10: Der Solar Orbiter in Sonnennähe. Die starke Einstrahlung stellt eine große Herausforderung für die Entwicklung hitzebeständiger Instrumente dar.

Projekte

Direktor: Prof. Dr. Sami K. Solanki