Langperiodische Schwingungen der Sonne entdeckt

Zehn Jahre umspannende Datensätze des Solar Dynamics Observatory der NASA In Kombination mit numerischen Modellen enthüllen die „tiefen Töne“ der Sonne.

20. Juli 2021

Ein Team von Sonnenphysikerinnen und Sonnenphysikern unter der Leitung von Laurent Gizon vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) und der Universität Göttingen hat globale Schwingungen der Sonne mit sehr langen Perioden, vergleichbar mit der 27-tägigen Rotationsperiode der Sonne, entdeckt. Die Schwingungen zeigen sich an der Sonnenoberfläche als riesige Wirbelbewegungen mit Geschwindigkeiten in der Größenordnung von fünf Kilometern pro Stunde. Möglich wurde die Entdeckung durch das Auswerten von Messdaten der NASA-Raumsonde Solar Dynamics Observatory (SDO), die einen Zeitraum von zehn Jahren abdecken. Mit Hilfe von Computersimulationen konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen, dass es sich bei den neu entdeckten Schwingungen um Resonanzmoden handelt, die ihre Existenz der differentiellen Rotation der Sonne verdanken. Sie werden dazu beitragen neue Wege zu finden, das Sonneninnere zu untersuchen und Informationen über die innere Struktur und Dynamik unseres Sterns zu erhalten. Die Wissenschaftler beschreiben ihre Ergebnisse heute in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics.

Die mit der retrograden Ausbreitung der Schwingungsmode verbundene Geschwindigkeit in Ost-West-Richtung. Links: Beobachtungen mit dem SDO/HMI-Instrument. Rechts: numerisches Modell. Ton: gefilterte Daten (86 ± 10 nHz), verschoben in das hörbare Spektrum; die Tonvariationen geben Aufschluss über Anregung und Dämpfung der Mode. Um den Film herunterzuladen, gehen Sie bitte auf YouTube.<br /><br />

Trägheitsmode mit maximaler Geschwindigkeit in hohen Breitengraden

Die mit der retrograden Ausbreitung der Schwingungsmode verbundene Geschwindigkeit in Ost-West-Richtung. Links: Beobachtungen mit dem SDO/HMI-Instrument. Rechts: numerisches Modell. Ton: gefilterte Daten (86 ± 10 nHz), verschoben in das hörbare Spektrum; die Tonvariationen geben Aufschluss über Anregung und Dämpfung der Mode. Um den Film herunterzuladen, gehen Sie bitte auf YouTube.

Die „hohen Töne“ der Sonne sind seit den 1960er Jahren bekannt: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler hatten entdeckt, dass die Sonne wie eine Glocke schwingt. Plasmaströme nahe der Sonnenoberfläche regen Millionen von Moden akustischer Wellen mit kurzen Perioden von etwa fünf Minuten an, die im Sonneninneren gefangen sind. Mit Hilfe von erdgebundenen Teleskopen und Weltraumobservatorien werden diese schnellen Schwingungen seit Mitte der 1990er Jahre ununterbrochen beobachtet. Helioseismologinnen und Helioseismologen konnten auf diese Weise mehr über die innere Struktur und Dynamik unseres Sterns erfahren - so wie Seismologinnen und Seismologen mit Hilfe von Erdbeben das Innere der Erde erforschen. Einer der großen Erfolge der Helioseismologie war das Kartieren der Sonnenrotation in Abhängigkeit von der Tiefe und der heliographischen Breite. Man spricht von differentieller Rotation.

Zusätzlich zu den kurzperiodischen Schwingungen wurde schon vor mehr als 40 Jahren vorhergesagt, dass Sterne auch Schwingungen mit deutlich längeren Perioden aufweisen. Auf der Sonne konnten sie bisher nicht vollständig identifiziert werden. „Die langperiodischen Schwingungen hängen von der Rotation der Sonne ab; sie sind nicht akustischer Natur“, sagt Laurent Gizon, Erstautor der neuen Studie und Direktor am MPS. „Um die langperiodischen Sonnenschwingungen zu entdecken, ist es erforderlich, die horizontalen Bewegungen an der Sonnenoberfläche über viele Jahre hinweg zu messen. Die ununterbrochenen Beobachtungen des Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) an Bord von SDO sind für diesen Zweck perfekt geeignet“, fügt er hinzu.

Die mit der retrograden Ausbreitung der Schwingungsmode verbundene Geschwindigkeit in Ost-West-Richtung. Links: Beobachtungen mit dem SDO/HMI-Instrument. Rechts: numerisches Modell. Ton: gefilterte Daten (73 ± 10 nHz), verschoben in das hörbare Spektrum; die Tonvariationen geben Aufschluss über Anregung und Dämpfung der Mode. Um den Film herunterzuladen, gehen Sie bitte auf YouTube.

Trägheitsmode mit maximaler Geschwindigkeit in mittleren Breitengraden

Die mit der retrograden Ausbreitung der Schwingungsmode verbundene Geschwindigkeit in Ost-West-Richtung. Links: Beobachtungen mit dem SDO/HMI-Instrument. Rechts: numerisches Modell. Ton: gefilterte Daten (73 ± 10 nHz), verschoben in das hörbare Spektrum; die Tonvariationen geben Aufschluss über Anregung und Dämpfung der Mode. Um den Film herunterzuladen, gehen Sie bitte auf YouTube.

Das Forscherteam beobachtete einige Dutzend Schwingungsmoden, jede mit ihrer eigenen Schwingungsperiode und räumlichen Abhängigkeit. Einige Schwingungsmoden haben maximale Strömungsgeschwindigkeiten an den Polen (Film 1), einige in mittleren Breitengraden (Film 2) und einige in der Nähe des Äquators (Film 3). Diejenigen mit hohen Geschwindigkeiten am Äquator entsprechen den solaren Rossby-Wellen, die das Team bereits 2018 identifiziert hatte. „Die langperiodischen Oszillationen manifestieren sich als sehr langsame Wirbelbewegungen an der Sonnenoberfläche mit Geschwindigkeiten von etwa fünf Kilometern pro Stunde. Das ist etwa so schnell wie ein Mensch geht", sagt Zhi-Chao Liang vom MPS. Kiran Jain vom National Solar Observatory (NSO) sowie B. Lekshmi und Bastian Proxauf vom MPS bestätigten die Ergebnisse mit Daten der Global Oscillation Network Group (GONG), eines Netzwerks von sechs Sonnenobservatorien in den USA, Australien, Indien, Spanien und Chile.

Um das Wesen der neu entdeckten Schwingungen besser zu verstehen, verglich das Team die Beobachtungsdaten mit den Ergebnissen von Computermodellen. „Die Modelle erlauben uns, in das Innere der Sonne zu schauen und die volle dreidimensionale Struktur der Schwingungen zu bestimmen", erklärt MPS-Doktorand Yuto Bekki. Um die simulierten Schwingungen zu erhalten, begann das Team mit einem Modell des inneren Aufbaus der Sonne und ihrer differentiellen Rotation, das auf helioseismologischen Daten basiert. Zudem bezogen die Forscherinnen und Forscher die Stärke der konvektiven Ströme in den oberen Schichten und der turbulenten Bewegungen ein. Werden kleine Störungen des Sonnenmodells berücksichtigt, ergeben sich die freien Schwingungen des Modells. Die entsprechenden Geschwindigkeiten an der Oberfläche stimmen gut mit denen der  beobachteten Schwingungen überein und ermöglichten es dem Team, die Moden zu identifizieren (siehe Filme 1-3).

Die mit der retrograden Ausbreitung der Schwingungsmode verbundene Geschwindigkeit in Nord-Süd-Richtung. Links: Beobachtungen mit dem SDO/HMI-Instrument. Rechts: numerisches Modell. Ton: gefilterte Daten (269 ± 10 nHz), verschoben in das hörbare Spektrum; die Tonvariationen geben Aufschluss über Anregung und Dämpfung der Mode. Um den Film herunterzuladen, gehen Sie bitte auf YouTube.<br /><br />

Rossby-Mode mit maximaler Geschwindigkeit in Äquatornähe

Die mit der retrograden Ausbreitung der Schwingungsmode verbundene Geschwindigkeit in Nord-Süd-Richtung. Links: Beobachtungen mit dem SDO/HMI-Instrument. Rechts: numerisches Modell. Ton: gefilterte Daten (269 ± 10 nHz), verschoben in das hörbare Spektrum; die Tonvariationen geben Aufschluss über Anregung und Dämpfung der Mode. Um den Film herunterzuladen, gehen Sie bitte auf YouTube.

„All diese neuen Oszillationen, die wir auf der Sonne beobachten, werden stark von der differentiellen Rotation der Sonne beeinflusst", sagt MPS-Wissenschaftler Damien Fournier. Die Abhängigkeit der Sonnenrotation vom Breitengrad bestimmt, wo die Geschwindigkeit der Moden am größten ist. „Die Schwingungen hängen zudem empfindlich von Eigenschaften des Sonneninneren ab: insbesondere von der Stärke der turbulenten Bewegungen und der damit verbundenen Viskosität des Sonnenmediums sowie von der Stärke des konvektiven Antriebs", sagt Robert Cameron vom MPS. Diese Abhängigkeit ist an der Basis der Konvektionszone etwa zweihunderttausend Kilometer unter der Sonnenoberfläche stark ausgeprägt. „So wie wir mit der Helioseismologie akustische Schwingungen nutzen, um mehr über die Schallgeschwindigkeit im Sonneninneren zu erfahren, können wir die langperiodischen Schwingungen nutzen, um mehr über die turbulenten Prozesse zu lernen", fügt er hinzu.

„Die Entdeckung einer neuen Art von Sonnenschwingungen ist sehr aufregend. Sie erlaubt uns, auf Eigenschaften wie die Stärke des konvektiven Antriebs zu schließen, die letztlich den solaren Dynamo steuern", sagt Laurent Gizon. Das diagnostische Potenzial der langperiodischen Moden wird in den kommenden Jahren mit Hilfe eines neuen Exascale-Computermodells, das im Rahmen des Projekts WHOLESUN entwickelt wird, voll ausgeschöpft. WHOLESUN wird durch einen Synergy Grant des Europäischen Forschungsrats gefördert.

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