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Sunrise-III enthüllt komplexe magnetische Strukturen der Sonne
Verborgene Magnetstruktur: Über vermeintlich ruhigen Regionen der Sonne liegt kein gleichmäßig aufgefächerter Magnetvorhang. Drei neue Sunrise-III-Studien zeigen stattdessen feine Magnetfäden, verdrehte Flussröhren und höhenabhängige Felder in Spikulen. Die Ergebnisse liefern neue Ansatzpunkte dafür, wie magnetische Energie durch die Chromosphäre transportiert und dort möglicherweise in Wärme umgewandelt wird.
Mitaka (Japan). Die ruhige Sonne wirkt auf den ersten Blick unspektakulär. Dort fehlen große Sonnenflecken und andere auffällige Aktivitätsgebiete. Dennoch ist auch diese Fläche von Magnetfeldern durchzogen. Gerade in der Chromosphäre, der Schicht über der sichtbaren Sonnenoberfläche, sind diese Felder jedoch schwach und bislang nur schwer räumlich aufzulösen.
Das Ballonobservatorium Sunrise-III umgeht einen entscheidenden Störfaktor. Sein ein Meter großes Teleskop stieg bei der Flugkampagne 2024 bis auf rund 35 Kilometer Höhe und beobachtete damit oberhalb des größten Teils der Erdatmosphäre. Das Nahinfrarot-Spektropolarimeter SCIP misst dabei winzige Änderungen der Polarisation, aus denen sich Stärke und Richtung solarer Magnetfelder ableiten lassen.
Ein Team des National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) mit Masahito Kubo hat damit eine ruhige Region nahe der Mitte der Sonnenscheibe vermessen. Die Forscher kartierten ein Feld von 58 mal 58 Bogensekunden und verfolgten zugleich mehrere Spektrallinien, die in unterschiedlichen Höhen der unteren Sonnenatmosphäre entstehen. So ließ sich die Magnetstruktur von der Photosphäre bis in die Chromosphäre miteinander vergleichen.
Die Messungen zeigen dort einen magnetischen Baldachin, der deutlich feiner gegliedert ist als das einfache Bild eines nach oben immer weiter auseinanderstrebenden Feldes erwarten lässt. In der Chromosphäre erscheinen zahlreiche schmale, längliche Strukturen. Viele sind weniger als eine Bogensekunde breit. Ihre Magnetfeldstärke entlang der Sichtlinie liegt typischerweise etwa 10 bis 20 Gauß unter der des umgebenden Baldachins.
Besonders auffällig sind einzelne Fäden mit entgegengesetzter magnetischer Polarität zu ihrer unmittelbaren Umgebung. Damit können innerhalb eines scheinbar einheitlichen Magnetbogens kleinräumig gegensinnig ausgerichtete Feldbereiche liegen. Solche Gegensätze sind für die Sonnenphysik interessant, weil benachbarte, unterschiedlich gerichtete Magnetfelder unter geeigneten Bedingungen magnetisch rekonnizieren und dabei Energie freisetzen können.
Eine zweite Studie verbindet diese Beobachtung mit dreidimensionalen Magnetohydrodynamik-Simulationen. Patrick A. Ondratschek vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) und seine Kollegen fanden in ihrem Modell entgegengesetzt polarisierte Einlagerungen in etwa einem Megameter Höhe. Die simulierten Strukturen werden rund zwei bis sieben Megameter lang und etwa ein Megameter breit.
Im Modell sind diese Einlagerungen mit verdrehten magnetischen Flussröhren verknüpft. Bewegungen an der Sonnenoberfläche können die Feldlinien verdrillen, sodass in der Chromosphäre lokal Feldanteile in die entgegengesetzte Richtung weisen. Die simulierten Strukturen bleiben während eines großen Teils der ausgewerteten 21 Minuten sichtbar und erzeugen in synthetischen Polarisationsmessungen ähnliche Signaturen wie die Sunrise-III-Beobachtungen.
Damit liefert die Simulation eine plausible physikalische Erklärung für einen Teil der beobachteten Magnetfäden. Sie beweist jedoch nicht, dass jede der gemessenen Strukturen genau auf diese Weise entsteht. Entscheidend ist die Übereinstimmung zwischen einer unerwarteten Beobachtung und einem Modell, das ohne ein schlichtes, gleichförmig aufgefächertes Magnetfeld auskommt.
Eine dritte Arbeit untersucht die ruhige Sonne nicht von oben, sondern am sichtbaren Rand. Yoshihiro Naito und seine Kollegen nutzten SCIP, um die Magnetfelder von Spikulen zu kartieren. Diese schmalen Plasmajets ragen aus der Chromosphäre nach oben und gelten als mögliche Tra