Wie erzeugen Sterne eigentlich ihr Magnetfeld? Was verursacht Änderungen des Magnetfelds der Sonne und von Sternen? Welche Vorgänge lösen einen Massenauswurf auf der Sonne aus? Ist es möglich, Sonneneruptionen vorherzusagen?
Die Sonne ist der Stern, der der Erde am nächsten ist. Die Untersuchung der Sonne ist wissenschaftlich interessant, weil sie als Paradigma für andere Sterne dient. Ein Forschungsgebiet an der Thüringer Landessternwarte ist die Physik des inneren Aufbaus der Sonne und der Sterne. Untersucht werden auch die dynamischen Prozesse, die auf der Sonne und auf Sternen stattfinden.
Diese dynamischen Prozesse im Inneren der Sterne ändern deren Magnetfeld. Mit Hilfe von Schallwellen, die sich zu Sonnen- oder Sternbeben aufschaukeln, können Forschende das Innere der Sonne und der Sterne untersuchen. Diese Forschung wird als Helio- und Asteroseismologie bezeichnet.
Das Ziel ist, mehr darüber zu lernen, wie ein Magnetfeld im Inneren von Sternen erzeugt wird, wie sich das Magnetfeld ändert und wie es durch Plasmaströmungen im Inneren des Sterns beeinflusst wird. Ein weiteres Ziel ist, Sonneneruptionen (Ausbrüche) vorhersagbar machen.
Warum ist das wichtig?
Auf der Sonne kommt es immer wieder zu starken Eruptionen, die sehr viel Material ins Weltall schleudern. Dieses Material (Plasma) kann als Sonnensturm technologische Einrichtungen im Weltall und auf der Erde beeinträchtigen. Zum Beispiel könnten Satelliten für die Kommunikation oder für die Navigation ausfallen oder die Stromversorgung auf der Erde gestört werden. Eine wichtige Frage ist auch, welchen Einfluss die Sonnenaktivität auf das Erdklima hat.
Instrumente für die Erforschung der Sonne und anderer Sterne
Forschende an der TLS verwenden für die Erforschung der Sonne und Sterne das eigene 2-Meter-Alfred-Jensch-Teleskop, ein eigenes Sonnen-Labor und viele andere Instrumente und Sternwarten, zum Beispiel:
• das NASA Solar Dynamics Observatory,
• das Kepler-Weltraum-Teleskop der NASA,
• den Transiting Exoplanet Survey Satelliten (TESS) der NASA,
• das HELLRIDE-Instrument am Vakuum Turm Teleskop Teneriffa,
• den Solar Orbiter der European Space Agency (ESA).
Künftig sollen dafür auch das Extremely Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO) und das Weltraum-Teleskop PLATO (PLAnetary Transits and Oscillations of Stars) der European Space Agency (ESA) zum Einsatz kommen.
Die Spezialisten für Sonnenphysik an der Thüringer Landessternwarte arbeiten international vernetzt, zum Beispiel in diesen Gruppen und Forschungsprojekten:
• Global Oscillation Network Group (GONG),
• Birmingham Solar Oscillation Network (BiSON),
• Stellar Observation Network Group (SONG).
Wie wird das Innere der Sonne erkundet?
Sternbeben führen dazu, dass Sterne schwingen. Helio- und Asteroseismologie messen diese Schwingungen. Das ähnelt den seismischen Messungen von Erdbeben auf der Erde.
Die Wellen, die sich als bei Sonnenbeben und Sternbeben ausbreiten, verraten einiges darüber, wie die Sonne oder ein Stern im Inneren aufgebaut sind. Mit Hilfe dieser Wellen kann auch erforscht werden, was im Inneren der Sonne oder des Sterns passiert. Diese Daten bilden die Grundlage, um zu erforschen, wie die Sonne und wie Sterne „funktionieren“.
Die Genauigkeit, die mit seismischen Verfahren erreicht wird, ist erstaunlich. Ein Beispiel: Die Kerntemperatur der Sonne beträgt 15,6 Millionen Kelvin mit einer Ungenauigkeit von 0,4 Millionen Kelvin. Die Ungenauigkeit beträgt somit 2 bis 3 Prozent.
Ein künftiges Ziel ist es, Instrumente zu entwickeln, die noch genauer messen und Bewegungen der Oberfläche mit einer Geschwindigkeit von 1 cm/s auf Sternen nachweisen können.
Methoden zur Erforschung der Sonne und von Sternen
• Spektropolarimetrie mittels Fabry-Perot-Interferometer zur Messung der Radialgeschwindigkeit und des Magnetfelds
• Theoretische Modellierung zur Berechnung des inneren Aufbaus der Sterne und zur Bestimmung der Wechselwirkung von Wellen mit Strömungen und Magnetfeld
• Datenanalyse zur Bestimmung der Schwingungsfrequenzen und ihrer Veränderungen aufgrund von Bewegungen und Magnetfeld auf dem Stern
• Inversionsverfahren stellen eine Beziehung zwischen den Schwingungsfrequenzen und den physikalischen Größen
(Druck, Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit, Magnetfeld) im Stern her.
Forschungs-Highlights der TLS zur Sonnenerforschung
• Einrichtung eines Sonnen-Labors auf dem Gelände der Thüringer Landessternwarte
• Verlauf der differentiellen Rotation im Sonneninnern und Veränderung mit der Zeit
• Theoretische Studien zu Plasmajets auf der Sonne