Wie der kälteste Sonnenfleck der Sonne die Millionen-Grad-Korona antreibt

mit Daten von[{“ attribute=““>Big Bear Solar Observatory’s Goode Solar Telescope, researchers discover intense wave energy in the coldest region on the Sun, the sunspot umbra, which is driving puzzling temperatures in the star’s upper atmosphere.

Nearly five thousand kilometers above the Sun’s surface lies a century-old question for solar physicists — how are temperatures in the star’s upper atmosphere, or corona, hundreds of times hotter than temperatures at the Sun’s visible surface?

An international team of scientists has a new answer to the question — commonly referred to as the Sun’s coronal heating problem — with new observational data obtained with the 1.6-meter Goode Solar Telescope (GST) at Big Bear Solar Observatory (BBSO), operated by NJIT’s Center for Solar Terrestrial Research (CSTR).

In a study published recently in the journal Nature Astronomy, researchers have unveiled the discovery of intense wave energy from a relatively cool, dark and strongly magnetized plasma region on the Sun, capable of traversing the solar atmosphere and maintaining temperatures of a million degrees Kelvin inside the corona.

Extreme ultra-violet emission by solar coronal plasma at millions of degrees. Credit: Atmospheric Imaging Assembly (AIA) on board NASA’s Solar Dynamics Observatory (SDO) spacecraft

Researchers say the finding is the latest key to unraveling a host of related mysteries pertaining to Earth’s nearest star.

“The coronal heating problem is one of the biggest mysteries in solar physics research. It has existed for nearly a century,” said Wenda Cao, BBSO director and NJIT physics professor who is co-author of the study. “With this study, we have fresh answers to this problem, which may be key to untangling many confusing questions in energy transportation and dissipation in the solar atmosphere, as well as the nature of space weather.”

Using GST’s unique imaging capabilities, the team led by Yuan Ding was able to initially capture transverse oscillations in the darkest and coldest region on the Sun, called the sunspot umbra.

Such dark sunspot regions can form as the star’s strong magnetic field suppresses thermal conduction and hinders the energy supply from the hotter interior to the visible surface (or photosphere), where temperatures reach roughly 5,000 degrees Celsius.

Video mit hochauflösenden Beobachtungen der Tangentialbewegung in Sonnenflecken. Bildnachweis: NJIT-BBSO, Yuan et al., Nature Astronomy, 2023

Um dies zu untersuchen, maß das Team die Aktivität im Zusammenhang mit mehreren dunklen Merkmalen, die in einem aktiven Sonnenfleck entdeckt wurden, der am 14. Juli 2015 vom GST des BBSO aufgezeichnet wurde – einschließlich tangentialer oszillierender Bewegungen von Plasmafasern im Schatten des Sonnenflecks, wo das Magnetfeld mehr als 6.000-mal stärker ist. als die der Erde.

„Die Fasern erscheinen als konische Strukturen mit einer typischen Höhe von 500–1.000 km und einer Breite von etwa 100 km“, erklärte Vasyl Yurchyshyn, NJIT-CSTR-Forschungsprofessor für Heliophysik und BBSO Senior Scientist. „Sie sind zwei bis drei Minuten alt und neigen dazu, an derselben Stelle in den dunkelsten Teilen des Schattens wieder aufzutauchen, wo die Magnetfelder am stärksten sind.“

„Diese dunklen dynamischen Fasern wurden schon seit langem in der Sonnenschattenregion beobachtet, aber zum ersten Mal konnte unser Team laterale Schwingungen erkennen, die Ausdruck schneller Wellen sind“, sagte Cao. „Diese kontinuierlichen und allgegenwärtigen Transversalwellen in stark magnetisierten Fasern transportieren Energie durch vertikal lange magnetische Kanäle nach oben und tragen zur Erwärmung der oberen Sonnenatmosphäre bei.“

Anatomie unserer Sonne. Bildnachweis: ESA

Durch numerische Simulationen dieser Wellen schätzt das Team, dass die übertragene Energie tausende Male stärker sein könnte als der Energieverlust im Plasma der aktiven Region in der oberen Sonnenatmosphäre – wobei die Energie bis zu vier Größenordnungen stärker abgeführt wird als die Erwärmungsrate nötig, um es aufrechtzuerhalten. In der Korona steigen sengende Plasmatemperaturen.

„Überall auf der Sonne wurden verschiedene Wellen beobachtet, aber ihre Energie ist normalerweise zu gering, um die Korona aufzuheizen“, sagte Jurcheshin. „Die in Sonnenflecken entdeckten schnellen Wellen sind eine permanente und effiziente Energiequelle, die möglicherweise für die Erwärmung der Korona über Sonnenflecken verantwortlich ist.“

Vorerst, sagen die Forscher, revolutionieren die neuen Erkenntnisse nicht nur unsere Sicht auf Sonnenflecken, sondern stellen einen weiteren wichtigen Schritt dar, um das Verständnis der Physiker über die Prozesse der Energieübertragung und Erwärmung der Sonnenkorona zu verbessern.

Es bleiben jedoch weiterhin Fragen zum Problem der koronalen Erwärmung bestehen.

„Während diese Erkenntnisse einen Schritt vorwärts zur Lösung des Rätsels darstellen, ist der von Sonnenflecken ausgehende Energiefluss möglicherweise nur für die Erwärmung jener Schleifen verantwortlich, die in Sonnenflecken verwurzelt sind“, sagte Kao. Unterdessen gibt es weitere sonnenfleckenfreie Regionen, die mit heißen Koronarringen in Zusammenhang stehen und noch auf ihre Erklärung warten. Wir gehen davon aus, dass GST/BBSO weiterhin Beobachtungsbeweise mit höchster Auflösung liefern wird, um weitere Geheimnisse unseres Sterns zu entschlüsseln.“

Referenz: „Transverse Oscillations and Energy Source in a Strongly Magnetized Sunspot“ von Ding Yuan, Libo Fu, Wenda Cao, Bajij Koma, Michel Gerets und Juan C. Miao, Song Feng, Xishang Feng, Carlos Quintero Noda, Basilio Ruiz Cobo und Jiangtao Su, 25. Mai 2023, natürliche Astronomie.
DOI: 10.1038/s41550-023-01973-3