Otto-Hahn-Medaille für Jan Langfellner vom MPS

Die Rotation der Sonne verursacht Verwirbelungen des Sonnenplasmas, die an irdische Wirbelstürme erinnern.

21. Juni 2017

Gewaltige „Wirbelstürme“ auf der sichtbaren Oberfläche der Sonne, die viele tausende von Kilometern überdecken, hat Dr. Jan Langfellner vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) entdeckt. Sie entstehen aus dem Zusammenspiel von heißem, strömenden Sonnenplasma, das aus der Tiefe des Sterns aufsteigt, und der Drehung der Sonne – ganz ähnlich wie Wirbelstürme auf der Erde. Da die „Windgeschwindigkeiten“ in solaren Wirbelstürmen jedoch zum Teil kaum höher sind als 30 Kilometer in der Stunde, lässt sich das Phänomen nur schwer aufspüren. Dieses Kunststück ist Dr. Langfellner in seiner Doktorarbeit nun gelungen. Die Max-Planck-Gesellschaft hat ihn dafür heute mit der Otto-Hahn-Medaille ausgezeichnet.

Dr. Jan Langfellner vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung hat heute die Otto-Hahn-Medaille der Max-Planck-Gesellschaft erhalten.

Auf der Erde kommt es zu Wirbelstürmen, wenn unter besonderen Wetterbedingungen Luft von allen Seiten in ein Tiefdruckgebiet strömt. Die Corioliskraft, die aus der Drehung der Erde um die eigene Achse entsteht, verwirbelt diese Luftströme: Auf der Nordhalbkugel drehen sich Wirbelstürme entgegen des Uhrzeigersinns, auf der Südhalbkugel im Uhrzeigersinn. „Die Wirbelstürme auf der Sonne entstehen in einem ganz ähnlichen Prozess wie die auf der Erde“, erklärt Jan Langfellner. Allerdings strömt dort keine Luft, sondern mehrere tausend Grad heißes Plasma. Dieses steigt mancher Orts aus der noch heißeren Tiefe unseres Sterns auf, fließt entlang der Oberfläche, kühlt sich dabei ab und sinkt wieder hinab. Eine solche Strömungsgeometrie bezeichnen Forscher als Konvektionszelle. Wie auf der Erde sorgt die Drehung des Sterns für ein Verwirbeln der horizontalen Ströme.

Mit vielen tausend Kilometern im Durchmesser sind die solaren Wirbelstürme deutlich größer als ihre irdischen Verwandten – und langsamer. Das Plasma strömt zwar mit Geschwindigkeiten von bis zu 600 Kilometern pro Stunde in das „solare Tiefdruckgebiet“ ein; die eigentliche Wirbelströmung ist jedoch mit etwa 30 Kilometern pro Stunde deutlich langsamer. „Gleichzeitig finden sich auf der Sonne turbulente Plasmabewegungen, die den Wirbelstürmen überlagert sind“, erklärt Langfellner. Das mache die solaren Wirbel so schwer zu entdecken. Notwendig sei es, mehrere tausende der riesigen Konvektionszellen zu betrachten und daraus die Vorzugsplasmabewegungen zu bestimmen. Solche Analysen erfordern einen ununterbrochenen, möglichst hochaufgelösten Blick auf die Sonne, wie ihn seit 2010 die NASA-Raumsonde Solar Dynamics Observatory (SDO) liefert. Das MPS stellt das Deutsche Datenzentrum für SDO und ist somit eine Art digitales Gedächtnis der Mission.

Die solaren „Wirbelstürme“ (links) haben einen Durchmesser von vielen tausend Kilometern und sind somit deutlich größer als ihre irdischen Verwandten (rechts).

Die Daten des SDO-Instrumentes Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) waren für Langfellner besonders wertvoll. Es misst die Spuren, die Schallwellen, die sich durch die Sonne ausbreiten, an der Oberfläche des Sterns hinterlassen. Die Plasmaströme der Sonne verzerren die Wellen: Schallwellen die sich in Richtung des Stroms ausbreiten, werden beschleunigt; solche, die in entgegengesetzter Richtung unterwegs sind, abgebremst. „Auf diese Weise lassen sich seismische Wellen nutzen, um Plasmaströme in der Schicht nahe der Sonnenoberfläche aufzuzeichnen“, so Langfellner.

Dr. Jan Langfellner hat an der Universität Göttingen Physik mit dem Schwerpunkt Astrophysik studiert. In seiner Masterarbeit beschäftigte er sich mit einer Klasse lichtschwacher Sterne, so genannter Heißer Unterzwerge. Dem Stern im Zentrum unseres Sonnensystems wandte sich Langfellner mit Beginn seiner Promotion zu, die er am MPS in der Abteilung „Das Innere der Sonne und der Sterne“ unter Anleitung von Prof. Dr. Laurent Gizon, Direktor der Abteilung „Das Innere der Sonne und der Sterne“ anfertigte.

Mit der Otto-Hahn-Medaille würdigt die MPG in jedem Jahr herausragende Doktorarbeiten. In diesem Jahr wurden 30  junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf diese Weise ausgezeichnet; 13 von ihnen gehören Instituten aus der Chemisch-Physikalisch-Technischen Sektion an.

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