Schwingungen, Strahlungsausbrüche, Sonnentornados

Die Sunrise III Mission ermöglicht einen völlig neuen Blick auf die Sonne. Erste Ergebnisse liegen jetzt vor. 

In Kürze:

• Sonderveröffentlichung:  Zwei Jahre nach dem Stratosphärenflug des Sonnenobservatoriums Sunrise III erscheinen heute erste Ergebnisse der Mission.  
• Wertvolle Daten: Sunrise III hat Messdaten bisher unerreichter Qualität von der sichtbaren Oberfläche und aus den unteren Atmosphärenschichten der Sonne eingefangen. 
• Neue Erkenntnisse: Die Daten enthalten neue Informationen, etwa zu Tornados im Sonnenplasma oder zu den Vorgängen vor und während eines Strahlungsausbruchs.
• Solare Vielfalt: Während des Fluges zeigte die Sonne ihr gesamtes Repertoire: ruhige Gebiete, Ausbrüche, Sonnenflecken und mehr. 

Sechseinhalb Tage lang richtete das ballongetragene Sonnenobservatorium Sunrise III im Juli 2024 seinen Blick fest auf die Sonne. Beim Stratosphärenflug vom nördlichsten Zipfel Schwedens bis in die kanadischen Nordwestterritorien entstand ein mehr als 200 Terabyte großer Datenschatz. Diese Messdaten sind einzigartig. Sie ermöglichen bisher unerreicht detaillierte Einblicke in eine etwa 2000 Kilometer dicke Schicht der Sonne und können deren enorme Dynamik über mehrere Stunden ununterbrochen verfolgen. Diese Region umfasst die sichtbare Oberfläche der Sonne, die sogenannte Photosphäre, sowie die darüberliegende Chromosphäre. Das komplexe Wechselspiel aus heißem Plasma, veränderlichen Magnetfeldern und Wellen dort ist unter anderem verantwortlich für die heftigen Teilchen- und Strahlungsausbrüche unseres Sterns.

Die Sonne selbst bot während des Fluges eine umfassende Kostprobe ihres Könnens: Zu sehen waren neben ruhigen Regionen, die ihren gemäßigten Normalzustand repräsentieren, auch zahlreiche Beweise für ihr Temperament: etwa Sonnenflecke, kleine und große Strahlungsausbrüche sowie Regionen besonders hoher Magnetfeldstärke. 

Ein Übersichtsartikel, der die ersten wissenschaftlichen Ergebnisse der Mission zusammenfasst, erscheint heute in der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal Letters und bildet den Auftakt für eine umfangreiche Sonderveröffentlichung. Sie ist ausschließlich den Ergebnissen der Sunrise III-Mission gewidmet. Die einzelnen Studien, die auf Sunrise III-Daten beruhen, ergänzen die Sonderveröffentlichung nach und nach.

„Die Ergebnisse, die schon jetzt vorliegen, sind so vielfältig wie die Sonne selbst“, so MPS-Wissenschaftlerin Smitha Narayanamurthy, Koautorin des Übersichtsartikels und Leiterin der Arbeitsgruppe Wissenschaft von Sunrise III. „Sie enthüllen Neues über den Ruhezustand der Sonne und helfen ihr temperamentvolle Seite zu verstehen“, fügt sie hinzu. Hier einige der neuen Erkenntnisse, die im Laufe der nächsten Tage und Wochen veröffentlicht werden:  

• Schwingungen: Turbulente Plasmaströme im Innern der Sonne erzeugen Wellen, die sich durch die gesamte Sonne ausbreiten – bis in ihre untere Atmosphäre. Akustische Wellen mit Schwingungsdauern von etwa fünf Minuten ließen sich bisher hauptsächlich in einer Schicht etwa 100 bis 200 Kilometer über der sichtbaren Oberfläche der Sonne beobachten. Sunrise III gelingt ein deutlich genauerer Blick. Forschende konnten erstmals die Ausbreitung dieser Wellen innerhalb der Photosphäre und Chromosphäre, einer insgesamt 2000 Kilometer dicken Schicht, verfolgen und dabei den Einfluss des dort herrschenden Magnetfeldes studieren.
• Strahlungsausbruch: Während des Fluges von Sunrise III ereignete sich auf der Sonne ein Strahlungsausbruch der zweitstärksten Kategorie. Ein solcher Ausbruch kann auf der Erde zu moderaten Störungen etwa in Stromnetzten oder Satellitensystemen führen. Sunrise III konnte den Ausbruch bis ins kleinste Detail verfolgen. In der Chromosphäre zeigen sich im Zuge eines Strahlungsausbruchs längliche, hell aufblitzende Strukturen. Sie entstehen, wenn sich magnetische Feldlinien dort neu anordnen und dadurch Energie freisetzen. Die Sunrise III-Daten ermöglicht nun genaue Einblicke in die Feinstruktur und Veränderungen des Magnetfeldes an diesen Stellen. Dies kann helfen zu verstehen, wie kleinskalige Prozesse in der Chromosphäre die Entwicklung von großen Strahlungsausbrüchen steuern. 
• Sonnentornados: Die Magnetfeldlinien, die von ruhigen Gebieten der Sonnenoberfläche in die Chromosphäre ragen, galten bisher als vergleichsweise „ordentlich“ strukturiert. Sunrise-III-Daten zusammen mit Computersimulationen zeigen nun ein anderes Bild: Eingebettet in geordnete Magnetfeldstränge finden sich fein verdrillte Magnetfeldlinien. Sie steuern die Ströme des heißen Plasmas in der Chromosphäre und dürften somit Schauplätze kleiner „Sonnentornados“ sein. 

Bisher ist nur ein kleiner Teil der Sunrise III-Daten ausgewertet. „Wir stehen noch ganz am Anfang“, so Sunrise III-Projektmanager Andreas Korpi-Lagg. „Die Daten der Sunrise III-Mission werden uns noch viele Jahre beschäftigen – und enthalten bestimmt noch die ein oder andere Überraschung“, fügt er hinzu.

Arbeitsplatz und Ausrüstung

Verantwortlich für die hohe Qualität der Daten – und damit für den Erfolg der Mission – war vor allem der abenteuerliche „Arbeitsplatz“ von Sunrise III. In der Stratosphäre, etwa 35 Kilometer oberhalb des Erdbodens, ließ das Observatorium den Großteil der Erdatmosphäre unter sich. Diese wabernde Lufthülle schränkt die Sicht erdgebundener Sonnenteleskope maßgeblich ein. Selbst mit modernsten Techniken, welche die Effekte der Luftunruhen kompensieren, lässt sich die Sonne äußerst selten länger als einige Minuten am Stück ohne Unterbrechung und bei konstant hoher Bildqualität beobachten. Sunrise III hingegen gelangen Beobachtungsserien von mehreren Stunden Dauer. Selbst der Einbruch der Nacht störte kaum: Entlang der sommerlichen, polarkreisnahen Flugroute von Sunrise III sank die Sonne täglich nur für kurze Zeit so tief, dass der Blick durch dickere Luftschichten die Beobachtungen beeinträchtigte.

Ebenso entscheidend war die wissenschaftliche Ausrüstung des Observatoriums: Das Teleskop mit einem Hauptspiegeldurchmesser von einem Meter fing das Sonnenlicht ein; die drei Instrumente SUSI (Ultraviolett-Spektropolarimeter), TuMag (Magnetograph) und SCIP (Infrarot-Spektropolarimeter) verarbeiteten es weiter; ein ausgeklügeltes Bildstabilisierungssystem sorgte für scharfe Aufnahmen. So ausgerüstet entstanden Bildabfolgen etwa im Viertel-Sekunden-Takt, die Strukturen von zum Teil nur 50 Kilometern Größe sichtbar machen – und das aus einem Abstand von fast 150 Millionen Kilometern. Zudem untersucht Sunrise III auf diese Weise einen breiten Wellenlängenbereich des Sonnenlichtes – vom ultravioletten bis hin zum infraroten Licht – und kann selbst eng benachbarte Wellenlängen voneinander trennen. Ultraviolettes Licht von der Sonne ist erdgebundenen Teleskopen nicht zugänglich. Der Großteil dieser Strahlung wird von der Ozonschicht der Erdatmosphäre verschluckt.  

Über die Mission

Das ballongetragene Sonnenobservatorium Sunrise III ist eine Mission des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS, Deutschland). Maßgeblich Mitwirkende an der Mission sind das Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins Universität (APL, USA), ein spanisches Konsortium, das National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ, Japan), und das Institut für Sonnenphysik (KIS, Deutschland). Das spanische Konsortium wird geleitet vom Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA, Spanien) und besteht zudem aus dem Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), der Universitat de València (UV), der Universidad Politécnica de Madrid (UPM) und dem Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). Weitere Partner sind das Wallop’s Flight Facility Balloon Program Office (WFF-BPO) der NASA und die Swedish Space Corporation (SSC).

Sunrise III wird unterstützt von der Max-Planck-Förderstiftung, der NASA im Rahmen der Grants #80NSSC18K0934 und #80NSSC24M0024 ("Heliophysics Low Cost Access to Space"-Programm) sowie dem ISAS/JAXA Small Mission-of-Opportunity-Programm und JSPS KAKENHI JP18H05234. Die spanischen Beiträge wurden vom spanischen MCIN/AEI im Rahmen der Projekte RTI2018-096886-B-C5 und PID2021-125325OB-C5 sowie von "Center of Excellence Severo Ochoa"-Preisen an das IAA-CSIC (SEV-2017-0709, CEX2021-001131-S) finanziert, die alle von den europäischen REDEF-Fonds "A way of making Europe" kofinanziert wurden.