Mini-Plasmaströme treiben den Sonnenwind an

Kleinste Plasmaströme auf der Sonne, die mit Geschwin­dig­keiten von einigen hundert Kilo­metern pro Stunde von der Sonnen­korona ins All rasen, könnten der lang gesuchte Antrieb des Sonnenwinds sein. Wie ein Forschungs­team unter Leitung des MPI für Sonnen­system­forschung MPS in Göttingen berichtet, findet sich in hoch­auf­ge­lösten Aufnahmen eines koronalen Lochs, die der ESA-Raumsonde Solar Orbiter im März vergangenen Jahres gelungen sind, eine Vielzahl solcher Mini-Ströme. Koronale Löcher zeigen sich als dunkle Bereiche in Aufnahmen der Korona und gelten als Ausgangsort des Sonnenwinds. Wie die Auswertungen jetzt zeigen, sind die Plasmaströme zwar ein ständig wieder­kehrendes und häufiges Phänomen, jeder einzelne reißt jedoch nach kurzer Zeit ab. Das legt den Schluss nahe, dass der Sonnenwind bei näherer Betrachtung nicht als gleich­mäßiger Teilchen­strom ausge­stoßen wird, sondern zu Beginn und auf kleinen Skalen unregel­mäßig fluktuiert.

Die Sonne sendet nicht nur Strahlung ins All, sondern auch einen Strom geladener Teilchen wie etwa Protonen und Elektronen. Dieser Sonnenwind fällt je nach Aktivität der Sonne mal stärker und mal schwächer aus, kommt jedoch nie voll­ständig zum Erliegen. Die schnellsten Teilchen des Sonnenwinds erreichen Geschwindig­keiten von mehr als fünfhundert Kilometern pro Sekunde. Ihre Quell­regionen sind koronale Löcher vorzugsweise in der Nähe der Sonnenpole. Auf Aufnahmen der Sonnenkorona im ultra­violetten Licht zeigen sich diese Löcher als dunkle Bereiche. Dort weisen die Feldlinien des Sonnen­magnet­felds nicht bogen­förmig zurück zur Sonne, sondern ragen in den inter­planetaren Raum. Die Aufnahmen der Raumsonde Solar Orbiter, die das Team ausgewertet hat, zeigen ein solches koronales Loch in bisher unerreichter Detailschärfe und mit schneller Bildabfolge.

Zum Zeitpunkt der Aufnahmen am 30. März 2022 hatte Solar Orbiter den sonnen­nächsten Punkt seiner stark elliptischen Umlaufbahn um die Sonne erreicht. Aus einem Abstand von nur etwa fünfzig Millionen Kilometern blickte die Sonde aus geringerem Abstand auf die Sonnenkorona, als jeder ihrer Vorgänger. Etwa eine halbe Stunde lang konnte der ExtremevUltraviolet Imager EUI) seinen Blick auf ein koronales Loch in der Nähe des Südpols richten.

„Wie genau es der Sonne gelingt, den Sonnenwind mit hohen Geschwindig­keiten ins All zu beschleunigen, war bisher unklar. Die einzig­artigen Aufnahmen von Solar Orbiter bieten uns die Möglichkeit, genauer als je zuvor auf die Quell­regionen des Sonnenwinds zu schauen und so diesen Prozess besser als zuvor zu verstehen“, erklärt Lakshmi Pradeep Chitta vom MPS.

In den Aufnahmen findet sich eine Vielzahl kleinster Ströme, die sich mit Geschwindig­keiten von einigen hundert Kilometern pro Sekunde von der Sonne fortbewegen. Sie sind etwa hundert Kilometer breit, von lang­ge­zogener oder Y-förmiger Gestalt und recht kurzlebig: nach etwa zwanzig bis hundert Sekunden verblassen sie. Auch die Energie, die jeder einzelne Strom trans­portiert, ist verhältnis­mäßig klein: etwa der billionste Teil der Energie, welche die größten Explosionen im Sonnensystem, Strahlungs­ausbrüche der Sonne der Kategorie X, freisetzen. Deshalb sprechen die Forscher von Piko-Flare-Strömen.

In der Summe dürften die Mini-Ströme dennoch einen Großteil der Energie bereitstellen, die erforderlich ist, die Sonnenwind­teilchen auf ihre schnelle Reise durchs All zu schicken. „Die Ströme, die wir nun entdeckt haben, sind zwar klein und treten nur sporadisch auf“, so Chitta, „sie sind aber offenbar ein häufiges Phänomen und in dem betrachteten koronalen Loch geradezu allgegen­wärtig.“ Auslöser der Piko-Flare-Ströme könnten lokale Umstruk­tu­rie­rungen des Sonnen­magnet­felds sein. Von größeren, ähnlich geformten Strömen ist bekannt, dass sie dort entstehen, wo sich offene und geschlossene Feldlinien des Sonnen­magnet­felds treffen, neu anordnen und dabei Energie freisetzen.

In bisherigen Vorstellungen ist der Sonnenwind ein über große Zeiträume betrachtet zwar an- und abschwel­lender, ansonsten aber homogener Teilchen­strom. Diese Sicht scheint nicht länger haltbar zu sein. Wie Solar Orbiters zeitlich und räumlich hoch­auf­ge­löste Messungen zeigen, nimmt der Sonnenwind seinen Ursprung offenbar in Gestalt vieler winziger Ströme.

„Je genauer wir mit Solar Orbiter in die Korona der Sonne schauen, desto mehr finden wir, welch entscheidende Rolle kleinste Strukturen und Prozesse für das Verständnis unseres Sterns spielen“, so Hardi Peter vom MPS. Die Forscher halten es für möglich, dass sogar noch kleinere Ströme oder schwächere Strahlungs­ausbrüche, die auch dem Sonnen­späher der ESA verborgen bleiben, am Werk sind. Sie hoffen nun, im weiteren Verlauf der Mission mehr über die Piko-Flare-Ströme zu lernen. In den kommenden Jahren wird Solar Orbiter die Ebene, in der die Planeten um die Sonne kreisen, mehr und mehr verlassen und so einen immer besseren Blick auf ihre Polregionen – und die dortigen koronalen Löcher – erhalten.

MPS / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  L.P. Chitta et al.: Picoflare jets power the solar wind emerging from a coronal hole on the Sun, Science 381, 867 (2023); DOI: 10.1126/science.ade5801
• Abt. Sonne und Heliosphäre, Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, Göttingen
• Solar Orbiter, ESA – European Space Agency, Paris, Frankreich