Symbolbild: Aktive Sonne. | Copyright: NASA/SDO and the AIA, EVE, and HMI science teams
Göttingen (Deutschland) - Schon lange ist bekannt, dass Sonnenflecken, Strahlungsausbrüche und heftige Eruptionen auf der Sonne Anzeichen für eine permanente Aktivität unseres Zentralgestirns sind, deren Stärke innerhalb eines Zyklus von rund elf Jahren schwankt. Obwohl noch viele Fragen unbeantwortet sind, so sind sich Sonnenforscher doch darin einig, dass hinter der vielfältigen Aktivität Magnetfelder stecken, die aus dem Innern der Sonne an die Oberfläche treten. Jetzt ist es Wissenschaftlern gelungen nachzuweisen, dass alleine aus der Beobachtung der magnetischen Vorgänge an der Sonnenoberfläche Rückschlüsse auf den inneren Mechanismus gezogen und damit sogar Vorhersagen über die Stärke eines kommenden Aktivitätszyklus getroffen werden können.
"Die Sonne ist ein riesiger Gasball, in dessen Innern heiße Gase strömen, aufsteigen und absinken", erläutert die Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Garching und führt weiter erklärend aus: "In diesem Inferno entsteht ein Magnetfeld, das in seiner Grundstruktur jenem der Erde ähnelt. Es besitzt die Form eines Dipols, dessen Magnetfeldlinien an den Sonnenpolen die Oberfläche durchstoßen.
Die Magnetfelder sind jedoch an das heiße, elektrisch leitende Gas gebunden und werden von ihm in komplizierter Weise gedehnt und verzogen - wie Gummibänder in Honig, den man rührt. So wird eine anfänglich zur Rotationsachse parallel verlaufende Magnetfeldlinie von dem rotierenden Gas mitgeschleppt.
Das Gas in der Äquatorregion bewegt sich jedoch wesentlich schneller als in mittleren und hohen Breiten. Dadurch werden die Feldlinien im Äquatorbereich in die Länge gezogen und wickeln sich im Laufe von mehreren Umdrehungen regelrecht auf: Es bildet sich ein ringförmiges Magnetfeld in Ost-West-Richtung, auch Toroidalfeld genannt.
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Diese Magnetfeldlinien können sich zu dicken Bündeln vereinigen, die nach oben steigen, bis sie schließlich aus der Oberfläche austreten und eine Schlaufe formen. An den beiden Durchstoßpunkten entstehen die bekannten dunklen Sonnenflecken. Diese treten deshalb meistens paarförmig in Ost-West-Richtung auf und bilden jeweils einen magnetischen Nord- und Südpol. Innerhalb eines elfjährigen Zyklus ist die magnetische Orientierung bei allen Flecken identisch. Das Toroidalfeld besitzt also immer dieselbe Richtung."
Während bislang viele Sonnenforscher der Meinung waren, dass die nach außen in Erscheinung tretenden magnetischen Phänomene lediglich die Symptome der inneren Vorgänge sind, haben die Göttinger Forscher um Manfred Schüssler und Robert Cameron nun aber einen mathematischen Satz angewandt, den der irische Mathematiker und Physiker George Gabriel Stokes im 19. Jahrhundert bewiesen hat. Dieser Satz stellt einen Zusammenhang zwischen den Feldern an der Oberfläche und dem Innern eines Körpers her. Mit diesem rein mathematischen Argument haben die Wissenschaftler bewiesen, dass das an der Oberfläche der Sonne messbare Magnetfeld die einzige Quelle für das geordnete toroidale Feld im Sonneninnern ist, durch das wiederum die Aktivitätsphänomene des nachfolgenden Elf-Jahres-Zyklus bewirkt werden. "Was wir an der Oberfläche sehen, ist das relevante Feld", sagt Schüssler. "Die Oberflächenphänomene sind, bildlich gesprochen, nicht der Schwanz des Hundes, sondern sie sind der Hund selbst."
Im Vergleich mit Beobachtungsdaten konnten die Forscher zudem zeigen, dass das Dipolfeld die bei Weitem dominierende Quelle des toroidalen Feldes ist. Damit haben sie ein Modell bestätigt, das die amerikanischen Astronomen Horace Babcock und Robert Leighton bereits in den 1960er-Jahren aufgestellt hatten.
Dieser Nachweis ermögliche es nun, Vorhersagen über die Stärke eines kommenden Aktivitätszyklus zu machen: "Im Verlaufe eines Elf-Jahres-Zyklus wechselt das Dipolfeld seine Richtung: Der magnetische Nordpol wird zum Südpol und umgekehrt. Das neue Dipolfeld erreicht seine maximale Stärke etwa in der Phase minimaler Sonnenaktivität. Da das Dipolfeld die Quelle für das Toroidalfeld des nächsten Zyklus ist, sollte seine Stärke ein Maß für die Aktivität des nächsten Zyklus sein."
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Tatsächlich wurde eine solche Korrelation denn auch bereits festgestellt: "In der Phase des letzten Minimums um das Jahr 2009 herum war die Stärke des Dipolfeldes verhältnismäßig gering, dementsprechend schwach ist auch der jetzige Zyklus", so Schüssler.
Anhand zukünftiger Beobachtungen wollen die Forscher nun die Vorhersagekraft weiter überprüfen. Während es bislang noch sehr schwierig ist, die Stärke des Dipolfeldes zu messen, weil die Sonnenpole von der Erde kaum einsehbar sind, setzten die Wissenschaftler ihre Hoffnungen auf das für 2017 geplante Weltraum-Sonnenobservatorium "Solar Orbiter", an dem das MPS beteiligt ist. Dieses Sonnenteleskop soll sich der Sonne bis auf ein Drittel des Abstandes Erde-Sonne nähern und sich auch über die Erdbahnebene hinaus erheben. Auf diese Weise hat das Observatorium dann auch einen direkten Blick auf die Polregionen der Sonne.
Ihre Ergebnisse haben die Sonnenforscher aktuell im Fachjournal "Science" (DOI: 10.1126/science.1261470) veröffentlicht.
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