Jüngsten Forschungsergebnissen zufolge könnte das fehlende Stück mit ungewöhnlichen Mustern hochenergetischer Ausbrüche von der Sonnenoberfläche in Verbindung stehen.
Wir sind es gewohnt, von der ultravioletten Strahlung der Sonne zu hören, vor der wir uns mit Sonnenschutzmitteln schützen. Die Sonne sendet auch viel stärkere Gammastrahlen aus, die die energiereichsten Wellen im elektromagnetischen Spektrum sind. Jedes Gammastrahlenphoton trägt eine Milliarde Mal so viel Energie wie ein ultraviolettes Photon.
Gammastrahlen wirken sich nicht direkt auf Menschen auf der Erdoberfläche aus, da die Photonen von unserer Atmosphäre absorbiert werden. Wissenschaftler untersuchen jedoch, ob einige dieser sehr energiereichen Strahlen die Sonnenaktivität verfolgen könnten, beispielsweise die starken Ausbrüche der Sonne wie Sonneneruptionen oder Eruptionen auf ihrer Oberfläche. Solche starken Ereignisse können „Weltraumwetter“ erzeugen, das die Erde treffen, den Satellitenbetrieb beeinträchtigen und Eisenbahn- oder Elektrizitätssysteme lahmlegen kann.
Die Vorhersage extremer Sonnenereignisse würde unser Verständnis der Sonne enorm verbessern, ähnlich wie die Vorhersage eines Erdbebens, bevor es zuschlägt.
In einer aktuellen Studie fanden Wissenschaftler heraus, dass einige Teile der Sonne eine intensivere Gammastrahlung aussenden als andere – ein überraschender Befund, da frühere Modelle darauf hindeuteten, dass die Gammastrahlung über die Sonne hinweg gleichmäßig sein sollte. Die neuesten Untersuchungen ergaben, dass die Pole der Sonne in den Momenten, in denen sich die Nord- und Südmagnetfelder der Sonne umkehrten, die höchste Strahlung aussendeten.
„Es geht darum, bessere Werkzeuge zur Vorhersage der Sonnenaktivität zu haben“, sagte Bruno Arsioli, Co-Autor und Forscher an der Universität Lissabon und der Universität Triest. „Vielleicht könnten wir diese neuen Informationen aus sehr hohen Energien nutzen, um unseren Modellen dabei zu helfen, das Verhalten der Sonne vorherzusagen.“
Die wissenschaftliche Begründung für die seltsame Ausrichtung sei noch immer ein Rätsel, sagen die Autoren. Aber das Magnetfeld der Sonne wird sich wahrscheinlich in den nächsten ein bis zwei Jahren umdrehen, sodass die Wissenschaftler diese Kuriosität in Echtzeit beobachten und weitere Daten zur Erklärung des Phänomens sammeln können.
Unter die Sonnenoberfläche blicken
Gammastrahlen sind die Könige aller Energie. Sie werden von den energiereichsten Objekten in unserem Universum erzeugt, etwa von Supernova-Explosionen oder Neutronensternen. Auch nukleare Explosionen und Blitze auf der Erde können Gammastrahlen erzeugen.
Die Sonne kann über einige Wege auch Gammastrahlen aussenden. Wenn eine Eruption auf der Sonne Gas und Plasma von ihrer Oberfläche ausstößt, können auch Gammastrahlen emittiert werden, allerdings in relativ geringen Energieniveaus.
Die größere Quelle solarer Gammastrahlung entsteht, wenn sehr energiereiche Teilchen, die von Supernova- und Neutronensternen im ganzen Universum emittiert werden und kosmische Strahlen genannt werden, die Sonne bombardieren. Wenn das geladene kosmische Teilchen auf die Sonne trifft, wird es durch das Magnetfeld der Sonne umgedreht und kommt wieder heraus. Auf seinem Weg nach draußen trifft es auf Gas auf der Sonnenoberfläche und regt Sonnenteilchen zu Gammastrahlenphotonen an.
Diese Gammastrahlenumwandlung, sagte der Astrophysiker Tim Linden, findet wahrscheinlich 100 bis 1.000 Kilometer unter der Sonnenoberfläche statt, wo das Magnetfeld stark genug ist, um die kosmische Strahlung umzukehren.
„Mit Gammastrahlen in der Sonne können wir einige tausend Kilometer tief sehen“, sagte Linden, ein Astrophysiker an der Universität Stockholm, der nicht an der neuen Studie beteiligt war. “Das kann Ihnen Aufschluss darüber geben, was sehr tief unter der Sonnenoberfläche passiert.“
Die Aktivität der Sonne ist nicht konstant. Alle 11 Jahre durchläuft unser Mutterstern einen Kostümwechsel, bei dem seine Nord- und Südmagnetpole die Plätze tauschen, was als Sonnenzyklus bekannt ist. Wenn sich die Pole umdrehen, ändert sich das Aktivitätsniveau an der Sonnenoberfläche. Zu Beginn ist die Sonne am wenigsten aktiv, was als Sonnenminimum bezeichnet wird, und am aktivsten in der Mitte, wenn die magnetischen Pole offiziell umschlagen, was als Sonnenmaximum bezeichnet wird. Es wird erwartet, dass die Sonne im nächsten Jahr ihr solares Maximum erreicht.
In der neuen Studie untersuchten Forscher anhand von Daten, die vom Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA gesammelt wurden, wie sich die Gammastrahlung der Sonne über einen gesamten Sonnenzyklus hinweg veränderte. Sie fanden heraus, dass die Gammastrahlung an den Polen der Sonne am intensivsten war, da die Sonnenaktivität während des Zyklus ihren Höhepunkt erreichte – was mit der offiziellen Umkehrung der Magnetfelder zusammenfiel.
„Das war nicht zu erwarten“, sagte Arsioli. „Es ist einfach etwas Neues, das wir über die Sonne herausfinden.“
Der Befund sei überraschend, da sich die tatsächliche Stärke des Sonnenmagnetfelds über den Zeitraum von 11 Jahren nicht wesentlich verändere, fügte Linden hinzu. Während der Spitzenaktivität wird das Magnetfeld der Sonne stärker verworren, was zu mehr Aktivität wie Flares und Eruptionen auf der Oberfläche führt, aber die Gesamtstärke ändert sich nicht unbedingt.
„Niemand hatte ein Modell, das besagte, dass bestimmte Teile der Sonne als Funktion des Sonnenzyklus heller sein würden als andere“, aber frühere Studien deuteten auf ein ungewöhnliches Muster hin, sagte Linden. In einer früheren Studie zeigte er, dass bestimmte Bereiche der Sonne heller sind als andere. In dieser neuen Studie werden die Trends jedoch detaillierter analysiert.
Jetzt müssten die Modelle und das Verständnis der Gammaenergien unserer Sonne überarbeitet werden. Arsioli sagte, dass die Gammastrahlen mit der magnetischen Konfiguration und der Sonnenaktivität in Zusammenhang stehen könnten, da sich diese schiefe Struktur zu dem Zeitpunkt zeigt, an dem die Sonne ihren magnetischen Umschwung durchläuft.
Die genaue Erklärung sei immer noch ein Rätsel, sagte Elena Orlando, Studienautorin und Forscherin an der Universität Triest und der Stanford University. Eine Idee könnte sein, dass die kosmische Strahlung während des Sonnenmaximums verschiedene Regionen trifft. Oder vielleicht gibt es etwas Besonderes an den Polen während des Sonnenmaximums, das mehr kosmische Strahlung anzieht. Es könnte auch eine ganz andere Erklärung geben.
„Dies deutet darauf hin, dass die Gammastrahlen Informationen über die Sonnenaktivität enthalten“, sagte Arsioli. „Es eröffnet gewissermaßen ein neues Gebiet, um diesen Zusammenhang zu untersuchen.“
Potenzielles Werkzeug zur Vorhersage der Sonnenaktivität
Die Vorhersage eines extremen Sonnenereignisses ist wie die Vorhersage eines Erdbebens. Prozesse unter der Oberfläche beginnen sich zu verschieben und können Aktivitäten an der Oberfläche auslösen, aber es ist schwierig, genau vorherzusagen, wann und wo.
„Diese Studie trägt dazu bei, unser Wissen darüber zu erweitern, wo genau auf der Sonnenoberfläche die Gammastrahlen ihren Ursprung haben“, sagte der Teilchenphysiker Mehr Un Nisa, der nicht an der Studie beteiligt war.
Frühere Studien deuteten auch darauf hin, dass Gammastrahlen nicht gleichmäßig über die Sonne strahlten, aber dies ist die erste Studie, die eine Veränderung während der höchsten Sonnenaktivität zeigt.
Gammastrahlen könnten dazu beitragen, einen frühen Blick auf Prozesse zu ermöglichen, die an die Oberfläche kommen, und Hinweise auf den Gesamtzustand der Sonne zu geben, sagte Orlando. Beispielsweise könnte ein Anstieg der Gammastrahlung an den Polen darauf hinweisen, dass sich das Magnetfeld der Sonne gerade umdreht und die Aktivität der Sonne zunimmt – was zu weiteren Sonneneruptionen führen könnte, die die Erde treffen könnten.
Zukünftige Studien könnten auch untersuchen, wie sich die Gammastrahlung vor einer großen Sonneneruption verändert, sagte Linden, und dabei möglicherweise Beobachtungen als Prognoseinstrument nutzen – ähnlich wie die Bestimmung, ob es auf der Erde aus atmosphärischen Bedingungen regnen wird.
„Die gleichen Magnetfelder, die für die Modulation der hochenergetischen Teilchen verantwortlich sind, die diese Gammastrahlen erzeugen, sind auch für die Höhen und Tiefen des Weltraumwetters verantwortlich“, sagte Nisa. „Unabhängig davon, ob das Leben durch das Weltraumwetter gestört wird, wird die richtige Physik unseres nächsten Sterns unser Wissen über unseren Platz im Universum nur erweitern.“
Dieser Artikel ist Teil von Verborgener Planeteine Kolumne, die sich mit der wundersamen, unerwarteten und ungewöhnlichen Wissenschaft unseres Planeten und darüber hinaus befasst.