Abteilung Das Innere der Sonne und der Sterne (Laurent Gizon): Helioseismologie und Asteroseismologie als Werkzeuge in der Sonnenphysik und Astrophysik

Abteilung: Das Innere der Sonne und der Sterne

Unsere Forschungsmethoden: Helioseismologie und Asteroseismologie

Eines der wichtigsten ungelösten Probleme in der Sonnenphysik ist aktuell der Ursprung des elfjährigen magnetischen Zyklus der Sonne.  Im Allgemeinen sind die Aktivitätszyklen kühler Sterne mit konvektiver Hülle noch nicht geklärt. Diese Zyklen sind vermutlich das Ergebnis des Zusammenspiels zwischen Strömungen (z.B., Rotation, meridionaler Zirkulation, Konvektion) und Magnetfeldern und werden durch Dynamomodelle beschrieben. Dennoch ist unklar, wie und wo die Dynamos operieren und wodurch die Amplituden und Perioden der Aktivitätszyklen festgelegt werden. Dieses fehlende Verständnis ist auf mangelnde empirische Informationen über die Dynamik im Inneren der Sonne und der Sterne zurückzuführen.

Helioseismologie ist die Verwendung von solaren Oszillationen zur Erforschung des Sonneninneren. Asteroseismologie ist die Verallgemeinerung der Helioseismologie auf die Erforschung der Oszillationen anderer Sterne. Diese Methoden ermöglichen uns, die Theorie der Sternstruktur und -entwicklung zu überprüfen und zu verfeinern sowie thermische Strukturen und Ströme zu erforschen. Dies bringt uns dem Verständnis interner Transportmechanismen sowie des großskaligen Magnetismus näher. Zudem erlaubt uns die Asteroseismologie, die Sonne im Zusammenhang mit anderen ähnlichen Sternen einzuordnen und die mögliche vergangene und zukünftige Entwicklung der Sonne zu erforschen.

Die Abteilung „Das Innere der Sonne und der Sterne“ wurde im April 2011 gegründet. Die Abteilung ist eine gemeinsame Initiative der Max-Planck-Gesellschaft, der Georg-August-Universität Göttingen und des Landes Niedersachsen. Die Forschungsarbeiten der Abteilung stützen sich auf  weltraumbasierte Beobachtungen, vor allem jene des Solar Dynamics Observatory (SDO) und von Kepler. Die Beobachtungen werden mithilfe von Modellen ausgewertet, einschließlich solarer und stellarer Strukturmodelle, Vorwärts- und Rückwärtsberechnungen der Helioseismologie, Simulationen der Magnetokonvektion der Sonne, und Flusstransport- Dynamomodelle.

Sonne

Hochauflösende Helioseismologie-Daten der gesamten Sonne sind derzeit von SOHO, SDO und dem GONG-Netzwerk verfügbar. Die helioseismischen SDO/HMI Daten, die automatisch von der Stanford University zum MPS übertragen werden, spielen eine zentrale Rolle bei den Forschungstätigkeiten der Abteilung „Das Innere der Sonne und der Sterne“. Sie bieten uns neue Wege ins Innere der Sonne, beispielsweise für die Ableitung globaler und lokaler oberflächennaher Strömungen, die Erforschung globaler Moden der Rotationskonvektion, oder die Charakterisierung der Entstehung magnetischer Aktivität. Die Abteilung „Das Innere der Sonne und der Sterne“ ist ein wichtiger Akteur im Bereich der Helioseismologie; im Wesentlichen werden alle Bereiche der Forschung in der Helioseismologie in unserer Abteilung abgedeckt. Zwei wichtige Entdeckungen wurden in den letzten Jahren gemacht: die Entdeckung der solaren Rossby-Wellen und die Ableitung der Struktur der meridionalen Strömung in der solaren Konvektionszone. Außerdem wurde Zweifel an der Detektion der solaren Schwerkraftmoden durch Fossat et al. (2017) in den wichtigen Arbeiten von Schunker et al. (2018) und Böning et al. (2019) geäußert. Seit 2019 beteiligen wir uns am ERC Synergy Project WholeSun, zusammen mit Vasilis Archontis (St. Andrews), Allan Sacha Brun (Saclay) und Mats Carlsson (Oslo). Das Projekt zielt darauf ab, neue Simulationen des Sonneninneren mit helioseismischen Beobachtungen zu kombinieren, um mehr über den Sonnendynamo zu erfahren.

Der Weltraumteleskop SDO/HMI beobachtet seismische Wellen auf der Sonne. (Bild: NASA)
 

Eine wichtige bevorstehende Mission für unsere Abteilung ist der Solar Orbiter (ESA M1, gestartet im Feb. 2020). Solar Orbiter wird auf einer Umlaufbahn mit einer Neigung von bis zu etwa 30° zum Sonnenäquator sein und die Dynamik in den Polregionen zum ersten Mal beobachten.  Das Instrument PHI an Bord des Solar Orbiter wird die erforderlichen Daten liefern, um Rückschlüsse über die Plasmaströmungen mithilfe  der Helioseismologie und lokalem Korrelationstracking zu ziehen. PHI wird auch stereoskopische Beobachtungen in Kombination mit anderen Instrumenten (z.B., HMI oder GONG) durchführen.

Sterne und Planetensysteme

Dank hochpräziser photometrischer Beobachtungen der Weltraumfahrzeuge CoRoT,Kepler undTESS wird die Asteroseismologie heutzutage auf eine große Anzahl von Sternen angewendet. Unsere Abteilung nutzt diese Datensätze zusammen mit numerischen Modellen und theoretischen Arbeiten, um das Innere pulsierender Sterne zu erforschen. Die Asteroseismologie soll eine genaue Kenntnis über die stellaren Parameter (z.B., Radius, Masse, Entwicklungsphase und Rotationsgeschwindigkeit) liefern, was weitreichende Folgen für unser Verständnis der Sternentwicklung und -aktivität haben wird. Eine der Aufgaben in der Abteilung besteht darin, auf Erkenntnissen aus der Helioseismologie aufzubauen, um asteroseismische Messungen und deren Auswertung zu verbessern.

Rendering des PLATO Raumschiffs und der Teleskope (Das Bild wurde von OHB zur Verfügung gestellt).

Unsere Abteilung spielt eine wichtige Rolle bei der PLATO Mission (ESA M3, Start im Jahr 2026; siehe Abbildung). Die PLATO-Mission ist die Zukunftsmission zur Erforschung von Planetentransits; das Hauptziel der Mission ist die Charakterisierung von Exoplaneten und deren Muttersternen in der Umgebung der Sonne. Während das Erbe aus CoRot und Kepler die Grundlage für PLATO bilden, soll der bedeutendste Durchbruch durch die Kombination hochpräziser Photometrie, Asteroseismologie und erdgebundener Nachfolgespektroskopie für zehntausende kühle Zwergsterne erzielt werden. Der starke Fokus von PLATO auf helle Sterne soll bei der Entdeckung erdähnlicher Planeten für künftige Projekte zur Erforschung von Planetenatmosphären und der Suche nach Biomarkern helfen. Die Projektmitarbeiter*innen unserer Abteilung arbeiten an der Entwicklung der Infrastruktur des PLATO Data Center, das die Kalibrierung und Analyse der Beobachtungen am Boden unterstützen wird.

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