Schallwellen auf der Sonne

Auf der Sonne sind jetzt kurzperiodische Schallwellen, die für die Abgabe energiereicher Strahlung aus einer speziellen Sonnenschicht, der sogenannten Chromosphäre, verantwortlich sind, nachgewiesen worden. Der wissenschaftliche Beweis dieses vor über 50 Jahren theoretisch formulierten Phänomens gelang der Göttinger Doktorandin Maren Wunnenberg, die seit drei Jahren an der Sternwarte der Georg-August-Universität die gasdynamischen Vorgänge in der Sonnenatmosphäre erforscht. Der Astronom Prof. Dr. Franz Kneer, der die Doktorarbeit betreut hat: „Über die Sonne hinaus lassen die Forschungsergebnisse von Maren Wunnenberg auch Rückschlüsse auf die Vorgänge bei sonnenähnlichen, weit entfernten Sternen zu.“

Die ersten Resultate dieser Entdeckung sind kürzlich in der Wissenschaftszeitschrift „Astronomy and Astrophysics“ veröffentlicht worden.

Seit etwa 140 Jahren ist bekannt, dass die Sonne neben der Photosphäre, aus der die Erde den größten Teils des Lichts erhält, eine weitere Licht abgebende Schicht besitzt. Diese wurde nach dem griechischem Wort „chromos“ für Farbe Chromosphäre getauft, weil sie kurz vor und nach einer totalen Sonnenfinsternis leuchtend rot erscheint. Prof. Kneer: „In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts zeigte sich, dass diese Schicht offenbar stark strukturiert ist und sich in ständiger Bewegung befindet. Die Energie, die die Chromosphäre als Licht abstrahlt, muss durch Energie aus Bewegungen dieser Schicht zugeführt werden.“ 1948 entwickelten dazu unabhängig voneinander der deutsche Astrophysiker Ludwig Biermann und sein aus Göttingen emigrierter, amerikanischer Kollege Martin Schwarzschild ein entsprechendes theoretisches Modell.

Durch turbulente Gasströmungen in der tiefen Photosphäre werden Schallwellen erzeugt, die in die Chromosphäre laufen und dort ihre Energie in Stoßfronten entladen. „Alltagserfahrungen wie das Rauschen von Wasserfällen, aber auch die Gasdynamik zeigen, dass turbulente Gas- und Flüssigkeitsströmungen mit Schallerzeugung verbunden sind“, so Maren Wunnenberg. Numerische Simulationen, insbesondere der Heidelberger Gruppe um Peter Ulmschneider, haben diese Vorstellung bestätigt. Weitere theoretische Überlegungen ließen darauf schließen, dass die Bewegung in den tiefsten sichtbaren Schichten der Sonne tatsächlich ausreichend Schallenergie erzeugt. Die Perioden der Wellen sollten in einem Bereich von zehn bis 150 Sekunden liegen, mit einem Maximum der Energie bei einer Länge von 50 Sekunden.

Der Nachweis kurzperiodischer Schallwellen gestaltete sich jedoch aus mehreren Gründen schwierig: Ihre Geschwindigkeitsverschiebungen werden durch die Sonnenatmosphäre selbst abgeschwächt und „verschmiert“ und zudem durch Wellen längerer Perioden überlagert, die nachweislich keine Energie transportieren. Und schließlich gingen die Experten davon aus, dass die Schallwellen mit kurzen Perioden kleinskalig sind und nur eine Ausdehnung von wenigen hundert Kilometern erreichen. Nach Angaben von Maren Wunnenberg ist gerade die Dynamik auf kleinen Skalen schwierig zu beobachten, weil Störungen in der Erdatmosphäre „die astronomischen Bilder oft sehr verwaschen aussehen lassen“.

Für ihre Untersuchungen kombinierte die Wissenschaftlerin mehrere Methoden der Beobachtung und der Datenanalyse. Mit dem von der Göttinger Universitäts-Sternwarte entwickelten Fabry-Perot-Spektrometer, das eine rasche Datenaufnahme in ausgewählten Wellenlängen von zweidimensionalen Gebieten der Sonne erlaubt, hat Maren Wunnenberg auf Teneriffa Zeitserien bei guter Sicht aufgenommen. Diese Daten wurden mit Hilfe der Bildrekonstruktion auf scharfe Bilder der Sonne zurückgeführt. So ließen sich die Wellenverschiebungen des Lichts in kleinen Strukturen erfassen und deren dynamische Eigenbewegungen in ihrem Umfeld verfolgen. In einem nächsten Schritt wurden die in verschiedenen Wellenlängen, das heißt an unterschiedlichen Positionen einer Spektrallinie gewonnenen Geschwindigkeitsmessungen miteinander gekoppelt. Auf diese Weise wurde der Höhenbereich in der Sonnenatmosphäre, aus dem diese Messungen stammten, eingeengt. Prof. Kneer: „Durch geeignetes Filtern der Daten mit einer so genannten Wavelet-Analyse konnte Maren Wunnenberg schließlich die wichtigen kurzperiodischen Wellen herausdestillieren.“

Wie der Göttinger Experte erläutert, macht die von der Chromosphäre als Licht abgestrahlte Energie zwar nur einen Anteil von weniger als ein Promille der Gesamtabstrahlung der Sonne aus, dennoch ist dieser Vorgang von großer Bedeutung. „Die Chromosphäre ist diejenige Schicht, in der die darin eingebettete, nahezu statische Sonne durch vehemente Bewegungen und Strömungen in Kontakt mit ihrer nahen Umgebung im Planetensystem und mit dem Kosmos tritt“, sagt Prof. Kneer. Gleichzeitig hat die Spektroskopie sonnenähnlicher, weit entfernter Sterne gezeigt, dass diese ebenfalls über eine Chromosphäre verfügen. Der Wissenschaftler: „Die bei der Sonne entdeckten Wellen müssen auch dort existieren und können das Vorhandensein ein solcher Schicht erklären.“

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Franz Kneer
Georg-August-Universität Göttingen
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