Wissenschaftler haben erstmals winzige Wirbel auf der Sonnenoberfläche beobachtet
Mithilfe des weltweit größten Sonnenteleskops konnten Wissenschaftler erstmals winzige Wirbel in der Photosphäre – der sichtbaren Hülle der Sonne – direkt beobachten. Diese Strukturen entstehen an den Grenzen von Plasmaströmen und könnten an der Vermischung von Materie sowie an der Verdrehung des Magnetfelds des Sterns beteiligt sein.
Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.
Die Beobachtungen wurden mit dem vier Meter hohen Daniel-Inoe-Sonnen-Teleskop auf Hawaii durchgeführt. Die Forscher erhielten eine Bilderserie einer aktiven Region der Sonne bei einer Wellenlänge von 416 Nanometern.
Die Auflösung der Aufnahmen betrug etwa 19 Kilometer – die maximale Auflösung, die dieses Instrument bei der gewählten Wellenlänge erreichen kann. Zum Vergleich: Eine solche Struktur von der Erde aus zu erkennen, wäre in etwa so schwierig, wie eine Münze aus einer Entfernung von etwa 180 Kilometern zu sehen.
Die Wissenschaftler analysierten 47 erkennbare Wirbel. Die Größe der identifizierten Strukturen lag bei etwa 25 bis 170 Kilometern, der typische Abstand zwischen ihnen betrug etwa 65 Kilometer. Einige Wirbel bewegten sich entlang der Grenzen der magnetischen Bereiche mit einer Geschwindigkeit von bis zu drei Kilometern pro Sekunde.
Details
Die Photosphäre ist mit Granulen bedeckt – durch Konvektion gebildeten Zellen. Heißes Plasma steigt aus den Tiefen der Sonne in das Zentrum der Granule auf, kühlt ab und sinkt an deren Rändern wieder ab.
Auf den neuen Aufnahmen erschienen die Ränder der Granulen nicht glatt, sondern mit feinen Streifen und Wirbeln überzogen. In aufeinanderfolgenden Bildern bewegten sich diese Strukturen ähnlich wie die Kämme brechender Meereswellen.
Besonders häufig entstanden Wirbel dort, wo normales Plasma auf Bereiche mit konzentriertem Magnetfeld traf. Computermodelle erzeugten nahezu identische Strukturen, was die physikalische Interpretation der Beobachtungen bestätigte.
Was ist die Kelvin-Helmholtz-Instabilität?
Die Autoren gehen davon aus, dass sie Erscheinungsformen der Kelvin-Helmholtz-Instabilität entdeckt haben. Diese entsteht, wenn benachbarte Schichten einer Flüssigkeit, eines Gases oder eines Plasmas sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegen.
An der Grenze zwischen den Strömungen entstehen Scherkräfte. Geringfügige Störungen verstärken sich allmählich und entwickeln sich zu Wellen oder Wirbeln. Ein ähnliches Phänomen lässt sich bei Meereswellen, Wolken, in den Atmosphären von Jupiter und Saturn sowie an den Grenzen planetarer Magnetosphären beobachten.
Theoretische Modelle hatten die Existenz solcher Instabilitäten in der Photosphäre vorhergesagt, doch bisher reichte die Auflösung der Teleskope nicht aus, um sie auf so kleinem Maßstab direkt zu erkennen.
Berechnungen haben gezeigt, dass diese Wirbel in der Lage sind, magnetisiertes und nahezu unmagnetisiertes Plasma effektiv zu vermischen. Zudem verformen sie die Grenzen magnetischer Bereiche und tragen zur Entstehung von Turbulenzen bei.
Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte dieser Prozess erklären, warum sich der Magnetfluss in der Photosphäre schneller ausbreitet und zerstreut, als frühere Modelle vorhergesagt hatten.
Darüber hinaus können Wirbelbewegungen die Magnetfeldlinien verdrehen und miteinander verflechten – ähnlich wie sich eine Feder verdreht. Infolgedessen sammelt sich Energie in der magnetischen Struktur an, die später während einer magnetischen Rekonnexion freigesetzt werden kann.
Können Wirbel Sonneneruptionen beeinflussen?
Bewegungen in der Photosphäre gelten als eine der Quellen freier magnetischer Energie, die verschiedene Erscheinungsformen der Sonnenaktivität antreibt – von kleinen Ausbrüchen bis hin zu Sonneneruptionen und koronalen Massenauswürfen.
Die Autoren vermuten, dass die überall auftretenden Mikrowirbel als einer der Mechanismen zur Verflechtung des Magnetflusses dienen könnten. Dies macht sie zu einem potenziell wichtigen Bestandteil der Prozesse der Energiespeicherung und -freisetzung auf der Sonne.
Die Studie beweist jedoch nicht, dass die entdeckten Strukturen Sonnenflares direkt auslösen oder den 11-Jahres-Aktivitätszyklus bestimmen. Die Wissenschaftler müssen noch ermitteln, wie viel Energie diese Wirbel transportieren und wie groß ihr Beitrag zur Gesamtdynamik des Magnetfeldes ist.
Warum dies wichtig ist
Die Entdeckung zeigt, dass Prozesse im Maßstab von nur wenigen Dutzend Kilometern Einfluss auf wesentlich größere magnetische Strukturen der Sonne haben können.
Die neuen Daten werden dazu beitragen, Modelle der Sonnenaktivität zu verfeinern und besser zu verstehen, wie Energie von der Photosphäre in die oberen Schichten der Sonnenatmosphäre gelangt. Langfristig könnte dies die physikalischen Modelle von Sonneneruptionen und anderen Phänomenen des Weltraumwetters verbessern.
Dabei ist der Begriff „Sonnenoberfläche“ bedingt zu verstehen: Der Stern verfügt über keine feste Hülle. Die Beobachtungen beziehen sich auf die Photosphäre – die sichtbare Plasmaschicht, von der aus der größte Teil des Sonnenlichts zur Erde gelangt.
Quelle
Studie: David Kuridze et al. „Ubiquitous Kelvin–Helmholtz instabilities driving plasma mixing on the Sun“.
Zeitschrift: Nature, 2026.