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Sonnenkorona: Plasmaheizung der Sonnenatmosphäre mit Lasern simuliert
Die Sonnenkorona ist Millionen Grad heiß, obwohl die Sonnenoberfläche vergleichsweise kühl bleibt. Ein Laserexperiment zeigt nun, wie eine Instabilität in heißem Plasma entgegengesetzt gerichtete Magnetfelder zusammenbringt und dadurch Elektronen erwärmt. Der Vorgang könnte erklären helfen, wie zahllose winzige Energieausbrüche zur Hitze der äußeren Sonnenatmosphäre beitragen.
Peking (China). Die äußerste Atmosphäre der Sonne erreicht Temperaturen von weit über einer Million Grad, während an ihrer sichtbaren Oberfläche nur etwa 5.500 Grad Celsius herrschen. Woher die zusätzliche Energie stammt, ist eines der großen Rätsel der Sonnenphysik. Diskutiert werden sowohl plötzliche Veränderungen der Magnetfelder als auch die Übertragung von Energie durch magnetische Plasmawellen.
Nach einer verbreiteten Hypothese heizen unzählige kleine Energieausbrüche, sogenannte Nanoflares, die Korona auf. Sie entstehen, wenn entgegengesetzt ausgerichtete Magnetfelder ihre Verbindung verändern und dabei gespeicherte Energie freisetzen. Bei dieser magnetischen Rekonnexion können Teilchen beschleunigt und aufgeheizt werden. Bisher blieb aber unter anderem unklar, wie die dafür nötigen engen Kontaktzonen zwischen den Magnetfeldern entstehen.
Forscher des China Institute of Atomic Energy (CIAE) um Chong Lv haben nun untersucht, ob eine Instabilität im Plasma solche Kontaktzonen selbst erzeugen kann. Dazu haben sie Vorgänge, die bei Nanoflares eine Rolle spielen könnten, mit Hochleistungslasern im Labor nachgestellt. Ihre Messungen und begleitenden Simulationen liefern Hinweise auf einen zusätzlichen Weg, über den magnetische Energie zu Wärme werden kann.
Für das Experiment richtete das Team mehrere intensive Laserpulse auf eine speziell strukturierte Kunststoffoberfläche. An der Oberfläche bildete sich ein heißes, elektrisch leitendes Plasma, in dem zugleich starke Magnetfelder entstanden. Während sich das Plasma ausdehnte, veränderten sich seine Dichteverteilung und seine Strömungen innerhalb weniger Nanosekunden.
Dabei entwickelte sich eine Rayleigh-Taylor-Instabilität, wie sie entstehen kann, wenn die Grenzfläche zwischen unterschiedlich dichtem Plasma beschleunigt wird. Diese Instabilität ordnete die Magnetfelder so an, dass entgegengesetzt gerichtete Feldbereiche in engen Zonen zusammenkamen. Dort setzte die magnetische Rekonnexion Energie frei. In Kontrollversuchen mit einer unstrukturierten Oberfläche blieb der charakteristische Effekt aus.
Die Elektronen erreichten bei der Rekonnexion eine Elektronentemperatur von 70,8 ± 6,5 Elektronenvolt. Das entspricht rechnerisch einer Temperatur von rund 820.000 Kelvin und liegt etwa doppelt so hoch wie in Fällen, in denen vor allem Stoßwellen das Plasma erwärmten. Die Forscher erfassten die Plasmastrukturen mit bildgebenden Verfahren und verglichen die Beobachtungen mit Computersimulationen.
Die Simulationen zeigen zudem, wie die freigesetzte Magnetenergie hauptsächlich durch elektrische Ströme in Wärme übergeht. Diese sogenannte Joulesche Heizung überwog den Beitrag der inneren Reibung im Plasma deutlich. Damit spricht das Zusammenspiel von Versuch und Modell dafür, dass die Instabilität nicht nur die Magnetfelder umordnet, sondern auch eine wirksame Erwärmung auslösen kann.
Im Labor laufen diese Prozesse auf viel kleineren Raum- und Zeitskalen ab als in der Sonnenatmosphäre. Entscheidend ist deshalb, ob sich wichtige physikalische Verhältnisse miteinander vergleichen lassen. Die Forscher haben dazu dimensionslose Kennwerte ihres Plasmas herangezogen. Nach ihrer Skalierung passen die Bedingungen zu kleinen Plasmajets im Zusammenhang mit koronarem Regen, bei dem abgekühltes Material entlang von Magnetfeldlinien zurückfällt.
Das Experiment stützt damit die Möglichkeit, dass eine großräumige Plasmainstabilität selbst die Voraussetzungen für kleinräumige magnetische Rekonnexion schaffen kann. Der Befund gilt jedoch zunächst für die untersuchten Laborbedingungen und vergleichbare Situationen in der