Forschung

Überblick
Ganz generell haben die Helioseimologie und die Asteroseismologie das Ziel unser Verständnis der Physik des Inneren der Sonne und der Sterne zu verbessern. Diese Modelle ermöglichen die Theorie des Sternenaufbaus und der Sternentwicklung genau zu testen, beschreiben Phänomene abseits des Standardmodells des Sternenaufbaus (Rotation, Konvektion, Mischungsprozesse) und liefern Randbedingungen für Theorien des Magnetismus der Sonne und der Sterne.

Das neue MPS Gebäude, welches in Göttingen bis 2014 fertiggestellt werden soll

Eines der wesentlichen wissenschaftlichen Ziele der Abteilung "Physik des Inneren der Sonne und sonnenähnlicher Sterne" ist es, die Konvektionszone der Sonne in drei Dimensionen abzubilden und physikalische Zusammenhänge zwischen inneren Strömungen und den verschiedenen Komponenten der magnetischen Aktivität, die in der Photosphäre beobachtet werden, herzustellen, um Fragen bezüglich des Ursprungs des Magnetismus der Sonne zu hehandeln. Die Abteilung ist in wichtigen internationalen Weltraummissionen eingebunden. Sie beteiligt sich an der Auswertung helioseismologischer Beobachtungen des Solar Dynamics Observatory (SDO) der NASA. wirkt bei der wissenschaftlichen Definition der Mission Solar Orbiter der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) mit und übernimmt eine führende Rolle in dem europäischen Konsortiun, das die ESA-Mission PLAnetary Transits and Oscillations of stars (PLATO) vorgeschlagen hat, um extrapolare Planeten zu entdecken und ihre Zentralsterne zu untersuchen. Seit April 2011 hat sich die MPRG in eine vollwertige Abteilung entwickelt und widmet sich dem Studium der solaren und stellaren Innenräume.

Helioseismologie
Millionen von Schwingungen, die durch die Sonnenkonvektion angeregt werden, erlauben es Astrophysikern, ins Innere der Sonne zu blicken, ähnlich wie Geophysiker mit Hilfe von Erdbeben den inneren Aufbau der Erde untersuchen. In den letzten 25 Jahren hat die Helioseismologie eine beachtliche Anzahl an Entdeckungen im Bereich der Sonnenphysik, der stellaren Astrophysik und der fundamentalen Physik hervorgebracht. Die Helioseimologie hat den mit Abstand genausesten Test der Theorie des Sternenaufbaus und der Sternenentwicklung geliefert. Dieser erforderte insbesondere eine Korrektur des Standardmodells der Teilchenphysik, um das Problem der Sonnenneutrinos zu lösen. Heutzutage ist der spannenste Aspekt der Helioseismologie die Suche nach Antworten auf Fragen bezüglich des Ursprungs und der Variabilität des Sonnenmagnetfeldes, dem wohl wichtigsten ungelösten Problem der Sonnenphysik. Die allgemeine Auffassung ist, dass ein Dynamoprozess den magnetischen Zyklus der Sonne verursacht, wobei magnetische Feldlinien durch Scherbewegungen im Sonneninneren gestreckt und verdreht werden. Die Helioseismologie ist unsere einzige Hoffnung, diese Modellvorstellung zu bestätigen, indem wir innere Massenbewegungen sowie asphärische Strukturen und ihre zeitlichen Variationen abbilden. Dank 15 Jahren helioseismologischer Beobachtungen des SOHO-Weltraumteleskopes (eine sehr erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen ESA und NASA) und dem bodengebundenen Beobachtungsnetzwerkes GONG konnte die Helioseismologie bereits Bereiche rotationsbedingter Scherung im Sonneninneren, Variationen der Sonnenrotation in Abhängigkeit des Sonnenzyklus und rätselhafte, quasi-periodische Veränderungen am Boden der Konvektionszone Nachweisen. Die nächsten Fortschritte werden von der lokalen Heliosseismologie erwartet, die dreidimensionale Abbildung des Inneren der Sonne liefert. Die lokale Helioseosmologie basiert auf der Interpretation von Korrelationen von Schwingungen, die an zwei Punkten der Oberfläche beobachtet werden. Obwohl dieser Forschungszweig noch in der Entwicklung steckt, hat er bereits einen Mechanismus für den Breitentransport von magnetischem Fluss aufzeigen können, der den 11-jährigen Sonnenzyklus bestimmen könnte. Detaillierte, dreidimensionale Karten von Strömungen unterhalb der Sonnenoberfläche werden ein Schlüssel zum Verständnis komplexer magnetetohydrodynamischer Phänomene sein, die die Sonnenaktivität steueren. In einer weiteren Anwendung ermöglichen die lokale Helioseismologie die Entwicklung aktiver Regionen auf der erdabgewandten Seite der Sonne und erlaubt so die frühzeitige Warnung vor schädlichen Ereignissen. Der Start von SDO im Jahr 2010 war ein wichtiger  technologischer Schritt für die Helioseismologie. Mit seiner hohen räumlichen Auflösung über die gesamte sichtbare Sonnenoberfläche erlaubt SDO, die Entwicklung aktiver Regionen auf der Sonne zu verfolgen , wenn sie sich als Folge der Rotation über dei Sonnenscheibe bewegen. Noch vor Beendigung diesen Jahrezehnts wird uns zudem der Solar Orbiter der ESA zum ersten Mal Zugang zur inneren Dynamik der Polregionen der Sonne verschaffen.

Das SDO-Weltraumteleskop ermöglicht Beobachtungen seismischer Wellen in der Sonne und koronaler Aktivität (Bild: NASA)

Um mit dem riesigen SDO-Datenaufkommen von ca. 1TB/Tag zurechtzukommen, wurden beträchtliche Rechen- und Speicherressourcen am MPS angeschafft, um das "German Data Center von SDO" aufzubauen. Die Hupteinrichtung, die vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem Europäischen Forschungsrat (ERC) gefördert wurde, ist heute bereits in Betrieb. Entdeckungen bezüglich der tiefenabhängigen Struktur von Sonnenflecken un der Dynamik der oberen Konvektionszone wurden bereits gemacht. Weitere Fortschritte werden sich, angeregt durch die Methoden der Seismologie der Erde, auf neue Techniken im Bereich der computerbasierten Helioseismologie stützen.
Instrumente: SDO-HMI, GONG, SOHO-MDI

Asteroseismologie
Die Asteroseismologie untersucht globale Schwingungen in entfernten Sternen und tritt momentan in eine sehr spannende Phase neuer Entdeckungen ein. Bei vielen Sternen mit einer breiten Spanne von Massen und Entwicklungsstatien ist bnekannt, dass sie Schwingungen aufweisen. In den letzten Jahren wurden große Fortschritte mit dem Betrieb des CNES/ESA-Satelliten CoRoT und der NASA-Mission Kepler gemacht. Beide Teleskope liefern herhorragende asteroseismische Daten für einige Dutzend sonnenähnlicher Sterne.

Kepler - oscillations in Sun-like stars. Credit: Science/AAAS; courtesy of G. Perez, IAC

Stellare Schingungen haben ein beträchtliches diagnostisches Potential und ermöglichen es, die Masse und das Alter von Sternen mit unvergleichlicher Genauigkeit zu messen. Diese Erkenntnis für eine hinreichende Anzahl von Sternen wird unsere Vorstellung von der Sternenentwicklung und die Untersuchung galaktischer Entwicklung revolutionieren. Die Asteroseismologie hat außerdem das Potenzial, die innere Rotation von Sternen un die Grenzen von Konvektions- und Ionisationszonen zu bestimmen. Solche Informationen würden helfen, dynamogetriebene Aktivitätszyklen von Sternen und den Zusammenhang zwischen der Sonne und anderen Sternen zu verstehen. Diese spannenden Möglichkeiten zur Untersuchung des Aufbaus, der Entwicklung und der Aktivität von Sternen wird vollständig durch hochpräzise Beobachtungen einer großen Anzahl von Sternen ermöglicht werden. Die Asterioseismologie von Zetralsternen mit extrasolaren Planeten wird besonders für die Charakterisierung der Eigenschaften der entdeckten Planeten von Nutzen sein. Genaue seismologische Messungen der Massen und Radien der Zentralsterne ermöglichen die Bestimmung der Massen und Radien der Transitplaneten. Mit Hilfe der Asteroseismologie kann auch das Alter der Zentralsterne bestimmt werden. Die Kepler Mission ist ein Weltrauminstrument, dass im Jahr 2009 gestartet ist. Es bietet noch nie da gewesene Beobachtungen der stellaren Oszillationen. In dem Bestreben, die Daten so effizient wie möglich zu Nutzten gibt es das Kepler asteroseismic consortium, welches jedem ihrer Mitglieder ein Forschungsthema zugeteilt, so auch in der Gruppe "Physik des Inneren der Sonne und sonnenähnlicher Sterne". Bestätigte Planetensysteme werden vollständig charakterisiert durch die Asteroseismologie ihrer Zentralgestirne und nachfolgenden Beobachtungen. Beobachtungen von sonnenähnlichen Sternen werden auch dazu beitragen, das bisherige Wissen über das vergangene und das zukünftige Leben unserer Sonne weiter zu vertiefen.
Instrumente: Kepler, CoRoT, SONG

Höhepunkte
Helioseismologie sondiert Sonnenflecken

Seit tausenden von Jahren sind Sonnenflecken auf der Sonne gesehen worden. Sie sind seit der Erfindung des Teleskopes unter ständiger regelmäßiger Beobachtung. Trotzdem bleibt noch vieles unbekannt, weil mit Teleskopen allein nicht unter die Sonnenoberfläche gesehen werden kann. Helioseismology, ähnlich wie auch die terrestrischen Seismologie, bietet uns einen Weg den Schleier zu heben, um zu sehen, was sich darunter verbirgt. Auf der Erde können wir Beispielsweise nach Öl-Ablagerungen oder Rissen in den tektonischen Platten suchen. Neben den Sonnenflecken sind wir auch an magenetischen Feldern, Strömungen und Temperaturveränderungen interessiert. Beobachtungen von Sonnenbeben wurden seit 1996 vom SOHO/MDI Weltraumexperiment gesammelt, während der in Kürze startende Satellit SDO eine noch viel höhere Datenqualität liefern wird. Um die Beobachtungen besser verstehen zu können haben die Wissenschaftler am MPS numerische Simulationen der Wellenausbreitung durch magnetische, voll nichtlineare Sonnenflecken erstellt und vergleichen diese mit den realen Daten. Der Vergleich erlaubt uns etwas über die Struktur von Sonnenflecken zu lernen. Ein relevantes Paper ist frei verfügbar vom Journal "Solar Physics" und kann hier heruntergeladen werden. Die Grafik zeigt einen Vergleich zwischen bearbeiteten Helioseismischen Beobachtungen (obere Hälfte) und numerischen Simulationen (untere Hälfte).

Banana-doughnut tomography of the Sun
Finite-wavelength tomography of the Earth or the Sun critically relies on models of the sensitivity of seismic travel times to localized heterogeneities (as evidenced by the controversial discovery of plumes in the Earth's mantle). On the Sun, the magnetic field is dragged by convective motions into concentrations that form the quiet-Sun magnetic network. Because these magnetic features are smaller than the wavelengths of solar oscillations, they are ideal to study the response of finite-wavelength seismic travel times to point-like perturbations. An international team of scientists, including helioseismologists from the MPS, have used time-distance helioseismology to directly measure the spatial sensitivity of surface-gravity wave travel times to magnetic perturbations (ApJ article). The data strongly speak in favour of 'banana-doughnut' theory according to which body-wave travel times are sensitive to the wave speed in a broad region surrounding the geometrical ray path. As can be seen in the Figure, the spatial sensitivity is not restricted to the geometrical ray path, is spread on an ellipse, and oscillatory. This study provides an observational confirmation of the basic banana-doughnut theory originally developed for finite-wavelength tomography of the Earth. This is the first test outside the laboratory showing the relevance of scattering theory to cross-correlation travel times (laboratory tests exist for ultrasonic waves). As in Earth seismology, finite-wavelength modelling will be essential in revealing deep structures in the solar interior, including those related to the solar dynamo.

Sensitivity of solar surface-wave travel times to small magnetic features. (a) Observations based on data from the high-resolution field of view of the MDI-SOHO space telescope. A magnetic feature at position (x,y) causes a shift in the travel time measured between the two observation points (crosses). The grey scale gives the shift in travel time due to a one kilogauss magnetic field covering one square megameter. (b) Phenomenological model for a point magnetic scatterer based on banana-doughnut theory. A scatterer located anywhere along an ellipse (with focii at the observation points) causes travel-time shifts of the same sign, giving rise to Fresnel zones. The hyperbolic features are due to the scattering of waves generated by distant sources.
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