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Solar Orbiter hat Ursprung eines rätselhaften Sonnenwind-Knicks aufgespürt
Magnetische „Switchbacks“ knicken die Feldlinien des Sonnenwinds abrupt zurück und gelten seit Jahren als rätselhaft. Solar Orbiter hat nun in einer besonders großen solchen Kehre schwere Ionen vermessen, deren Ladungszustände auf heißes Plasma aus geschlossenen Koronaschleifen verweisen. Die Daten sprechen dafür, dass magnetische Rekonnexion dieses Plasma freisetzte, während Alfvénwellen die spätere Ausbreitung prägten.
Paris (Frankreich). Der Sonnenwind trägt das Magnetfeld der Sonne weit in den interplanetaren Raum, wobei immer wieder abrupte Richtungswechsel auftreten, bei denen Feldlinien kurzzeitig zurück zur Sonne weisen. Solche magnetischen Switchbacks wurden besonders häufig von der Parker Solar Probe beobachtet, doch ihr Ursprung und ihre weitere Entwicklung sind bis heute umstritten.
Solar Orbiter hatte 2022 erstmals aus der Ferne eine S-förmige Struktur beobachtet, die zu einem Switchback passte und damit eine zuvor nur aus Punktmessungen bekannte Geometrie sichtbar machte. Nun konnte die Sonde einen solchen Feldknick direkt durchfliegen und zugleich seine Teilchenzusammensetzung messen, wodurch sich die Geschichte des Plasmas weit näher an seine solare Quelle zurückverfolgen ließ.
Forscher des Laboratoire de Physique des Plasmas (LPP) um Jesse T. Coburn haben dafür den großen Switchback vom 2. März 2022 analysiert, den Solar Orbiter in rund 0,55 Astronomischen Einheiten Abstand von der Sonne durchquerte. Die größte Feldumkehr in dem untersuchten Abschnitt dauerte von 20:25 bis 21:55 Uhr UTC und war damit deutlich länger als viele zuvor untersuchte Switchbacks.
Mit dem Solar Wind Analyser (SWA) bestimmte das Team die Zusammensetzung des Plasmas. Im Inneren der Struktur stiegen die Anteile höher geladener Sauerstoff- und Kohlenstoffionen deutlich an, während zugleich das Verhältnis von Heliumionen zu Protonen abnahm. Solche Signaturen entstehen nahe der Sonne und bleiben beim weiteren Flug weitgehend erhalten, weil die Ladungszustände in der dünner werdenden Korona gewissermaßen einfrieren.
Die Kombination spricht nach der Analyse für heißes Plasma aus geschlossenen koronalen Magnetfeldschleifen, denn höhere Ladungszustände passen zu höheren Elektronentemperaturen an der Quelle und die Heliumarmut stützt dieselbe Herkunft. Damit unterscheidet sich das Material von dem typischen Plasma, das direkt entlang offener Feldlinien aus einem koronalen Loch abströmt.
Um die mögliche Herkunft genauer einzugrenzen, verband das Team die Teilchenmessungen mit Aufnahmen des Solar Dynamics Observatory (SDO) und Modellen des solaren Magnetfelds. Aus den Bilddaten bestimmten die Forscher Temperatur und Dichte der unteren Korona und speisten diese Werte in ein semi-empirisches Modell für die Entwicklung der Ionenladungen ein. Die magnetische Rückverfolgung diente dabei nur als Orientierung und nicht als punktgenaue Ortsbestimmung.
Das Ergebnis weist auf zwei nahe beieinanderliegende Quellregionen, denn das Plasma könnte entweder vom Rand eines koronalen Lochs oder aus kleinen geschlossenen Schleifen innerhalb dieses Lochs stammen. Beide Möglichkeiten passen zu einem Prozess, bei dem geschlossene und offene Magnetfeldlinien ihre Verbindung verändern und zuvor eingeschlossenes Material freigeben.
Bei dieser sogenannten Interchange-Rekonnexion treffen offene Feldlinien, die Plasma ins All leiten, auf geschlossene Schleifen und ordnen sich magnetisch neu. Dadurch kann heißes Plasma aus einer Schleife auf eine offene Verbindung gelangen und in den Sonnenwind entweichen, was nach Ansicht der Autoren die im großen Switchback gemessene Teilchenzusammensetzung erklärt.
Die Studie zeigt damit aber nicht, dass sämtliche Switchbacks auf diese Weise entstehen, sondern untersucht vor allem einen ungewöhnlich langen und großen Fall. Kürzere Switchbacks im selben Zeitraum zeigten zwar ähnliche Signaturen, doch deren Schwankungen lagen teilweise in der Größenordnung von Messrauschen und statistischer Streuung. Größere Stichproben bleiben desh