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Die Sonne verfügt über ein starkes Magnetfeld, das Sonnenflecken auf der Sternoberfläche erzeugt und Sonnenstürme wie den auslöst, der diesen Monat weite Teile des Planeten in wunderschöne Polarlichter tauchte.
Aber wie genau dieses Magnetfeld im Inneren der Sonne erzeugt wird, ist ein Rätsel, das Astronomen seit Jahrhunderten beschäftigt und bis in die Zeit des italienischen Astronomen Galileo zurückreicht. der Anfang des 17. Jahrhunderts die ersten Beobachtungen von Sonnenflecken machte und feststellte, wie diese sich im Laufe der Zeit veränderten.
Forscher, die hinter einer interdisziplinären Studie stehen, haben in einem am Mittwoch in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Bericht eine neue Theorie aufgestellt. Im Gegensatz zu früheren Forschungen, bei denen davon ausgegangen wurde, dass das Magnetfeld der Sonne tief im Inneren des Himmelskörpers entsteht, vermuten sie, dass die Quelle viel näher an der Oberfläche liegt.
Das vom Team entwickelte Modell könnte Wissenschaftlern helfen, den elfjährigen Sonnenzyklus besser zu verstehen und die Vorhersage des Weltraumwetters zu verbessern, das GPS und Kommunikationssatelliten stören und Nachthimmelbeobachter mit Polarlichtern blenden kann.
„Diese Arbeit schlägt eine neue Hypothese darüber vor, wie das Magnetfeld der Sonne erzeugt wird, die besser mit Sonnenbeobachtungen übereinstimmt und, wie wir hoffen, für bessere Vorhersagen der Sonnenaktivität genutzt werden könnte“, sagte Daniel Lecoanet, Assistenzprofessor für Ingenieurwissenschaften und angewandte Wissenschaften Mathematik an der McCormick School of Engineering der Northwestern University und Mitglied des Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics.
„Wir wollen vorhersagen, ob der nächste Sonnenzyklus besonders stark oder vielleicht schwächer als normal sein wird. Die bisherigen Modelle (unter der Annahme, dass das solare Magnetfeld tief in der Sonne erzeugt wird) waren nicht in der Lage, genaue Vorhersagen zu treffen oder (zu bestimmen), ob der nächste Sonnenzyklus stark oder schwach sein wird“, fügte er hinzu.
Sonnenflecken helfen Wissenschaftlern, die Aktivität der Sonne zu verfolgen. Sie sind der Ursprungsort der explosiven Flares und Auswurfereignisse, die Licht, Sonnenmaterial und Energie in den Weltraum freisetzen. Der jüngste Sonnensturm ist ein Beweis dafür, dass sich die Sonne ihrem „Sonnenmaximum“ nähert – dem Punkt in ihrem 11-Jahres-Zyklus, an dem es die höchste Anzahl an Sonnenflecken gibt.
„Da wir glauben, dass die Anzahl der Sonnenflecken mit der Stärke des Magnetfelds innerhalb der Sonne zusammenhängt, glauben wir, dass der 11-jährige Sonnenfleckenzyklus einen Zyklus in der Stärke des inneren Magnetfelds der Sonne widerspiegelt“, sagte Lecoanet.
NASA/GSFC/Solar Dynamics Observa
Diese Ansicht des Magnetfelds der Sonne wurde vom Solar Dynamics Observatory der NASA erstellt.
Es ist schwierig, die magnetischen Feldlinien der Sonne zu erkennen, die sich durch die Sonnenatmosphäre winden und ein kompliziertes Netz magnetischer Strukturen bilden, das weitaus komplexer ist als das Erdmagnetfeld. Um besser zu verstehen, wie das Magnetfeld der Sonne funktioniert, greifen Wissenschaftler auf mathematische Modelle zurück.
Das von Lecoanet und seinen Kollegen entwickelte Modell berücksichtigte erstmals in der Wissenschaft ein Phänomen namens Torsionsschwingung – magnetisch angetriebene Ströme von Gas und Plasma innerhalb und um die Sonne, die zur Entstehung von Sonnenflecken beitragen.
In einigen Gebieten beschleunigt oder verlangsamt sich die Rotation dieser Sonnenformation, während sie in anderen konstant bleibt. Wie der 11-jährige solare magnetische Zyklus durchlaufen auch Torsionsschwingungen einen 11-Jahres-Zyklus.
„Sonnenbeobachtungen haben uns eine gute Vorstellung davon gegeben, wie sich Materie im Inneren der Sonne bewegt. Für unsere Supercomputing-Berechnungen haben wir Gleichungen gelöst, um zu bestimmen, wie sich das Magnetfeld innerhalb der Sonne aufgrund der beobachteten Bewegungen ändert“, sagte Lecoanet.
„Niemand hatte diese Berechnung zuvor durchgeführt, weil niemand wusste, wie man die Berechnung effizient durchführt“, fügte er hinzu.
Die Berechnungen der Gruppe zeigten, dass Magnetfelder etwa 20.000 Meilen (32.100 Kilometer) unter der Sonnenoberfläche erzeugt werden können – viel näher an der Oberfläche als bisher angenommen. Andere Modelle hatten vorgeschlagen, dass es viel tiefer sei – etwa 130.000 Meilen (209.200 Kilometer).
„Unsere neue Hypothese liefert eine natürliche Erklärung für die Torsionsschwingungen, die in früheren Modellen fehlt“, sagte Lecoanet.
Ein wichtiger Durchbruch sei die Entwicklung neuer numerischer Algorithmen zur Durchführung der Berechnungen gewesen, sagte Lecoanet. Der Hauptautor des Papiers, Geoff Vasil, Professor an der Universität Edinburgh im Vereinigten Königreich, sei vor etwa 20 Jahren auf die Idee gekommen, sagte Lecoanet, aber die Entwicklung der Algorithmen habe über zehn Jahre gedauert und für die Durchführung sei ein leistungsstarker NASA-Supercomputer erforderlich gewesen die Simulationen.
„Wir haben für diese Untersuchung rund 15 Millionen CPU-Stunden verbraucht“, sagte er. „Das heißt, wenn ich versucht hätte, die Berechnungen auf meinem Laptop durchzuführen, hätte ich dafür etwa 450 Jahre gebraucht.“
In einem parallel zur Studie veröffentlichten Kommentar sagte Ellen Zweibel, Professorin für Astronomie und Physik an der University of Wisconsin-Madison, dass die ersten Ergebnisse faszinierend seien und als Grundlage für zukünftige Modelle und Forschung dienen würden. Sie war nicht an der Studie beteiligt.
Zweibel sagte, das Team habe „der theoretischen Mischung eine provokante Zutat hinzugefügt, die sich als Schlüssel zur Lösung dieses astrophysikalischen Rätsels erweisen könnte.“