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Warum die Helligkeit der Sonne schwankt
Redaktion
/ Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung
24. August 2017
Die Helligkeit von Sternen ist nicht konstant. Das kann auch
für Exoplaneten-Jäger zum Problem werden, da solche Helligkeitsschwankungen auch
einen umlaufenden Planeten vorgaukeln können. Um die Prozesse hinter diesen
Schwankungen besser zu verstehen, haben Forscher nun unsere Sonne näher
untersucht und festgestellt, dass nur zwei Phänomene für die
Helligkeitsschwankungen verantwortlich sind.
Für langfristige Schwankungen der Helligkeit
der Sonne sind ihre veränderlichen Magnetfelder
verantwortlich. An der Oberfläche der Sonne
machen sie sich wie hier unter anderem durch
dunkle Gebiete, sogenannte Sonnenflecken,
bemerkbar.
Bild: NASA/SDO [Großansicht] |
Für die Helligkeitsschwankungen der Sonne sind allein zwei Phänomene unseres
Sterns verantwortlich: die Magnetfelder an seiner sichtbaren Oberfläche und
gewaltige Plasmaströme, die aus dem Innern emporbrodeln. Zu diesem Ergebnis
kommen Forscher unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung
(MPS) jetzt in einer neuen Studie. Den Wissenschaftlern gelingt es
erstmals, Helligkeitsschwankungen auf allen bisher beobachteten Zeitskalen zu
rekonstruieren: von solchen, die sich innerhalb von Minuten abspielen, bis hin
zu solchen, die Jahrzehnte überspannen.
Die neuen Erkenntnisse sind nicht nur für die Klimaforschung wichtig, sondern
lassen sich auch auf ferne Sterne übertragen - und könnten in Zukunft die Suche
nach Exoplaneten erleichtern. Zieht ein Exoplanet an seinem Zentralstern
vorüber, verdunkelt sich dieser für kurze Zeit. Selbst aus einer Entfernung von
Billionen von Kilometern können Weltraumteleskope diese Veränderung registrieren
– und somit den Exoplaneten aufspüren - zumindest in der Theorie.
In der Praxis ist dies komplizierter, denn wie die Helligkeit der Sonne,
schwankt auch die Helligkeit vieler Sterne. Die Schwankungen können die Signale
vorbeiziehender Exoplaneten überdecken. "Wenn man allerdings die
Helligkeitsschwankungen, die dem Stern selbst zu eigen sind, genau kennt, lassen
sich Exoplaneten mit hoher Genauigkeit aufspüren", erklärt Dr. Alexander Shapiro
vom MPS.
Einen ersten Schritt in diese Richtung gehen der Forscher und seine Kollegen
in ihrer aktuellen Studie – mit einem genauen Blick auf einen besonderen Stern:
unsere Sonne. Seit Beginn des Weltraumzeitalters vor fast 40 Jahren liefern
zahlreiche Raumsonden detaillierte Messdaten aus vergleichsweise großer Nähe.
Diese stellen jedes Modell, das stellare Helligkeitsschwankungen beschreibt, auf
eine harte Probe: Lassen sich die gemessenen Schwankungen mit dem Modell
rekonstruieren? Und ist es möglich, die Schwankungen auf physikalische
Eigenschaften des Sterns zurückzuführen?
Eine besondere Schwierigkeit: Die Helligkeit unseres Sterns variiert auf sehr
unterschiedlichen Zeitskalen. Einige Schwankungen vollziehen sich innerhalb
weniger Minuten; andere, die sich etwa auf das langfristige Klimageschehen auf
der Erde auswirken, lassen sich erst im Verlauf von Jahrzehnten aufspüren. Eine
stimmige Theorie, die all diese Größenordnungen umfasst, fehlte bisher.
Der neuen Studie gelingt genau dieses Kunststück. Sie beweist, dass nur zwei
Phänomene bestimmen, wie hell unser Stern leuchtet. Zum einen sind dies die
heißen Plasmaströme, die aus dem Innern des Sterns aufsteigen, abkühlen und
wieder in die Tiefe sinken. Das aufsteigende, heiße Material leuchtet heller als
Plasma, das sich an der Oberfläche bereits abgekühlt hat. Die Ströme erzeugen so
ein charakteristisches, sich schnell veränderndes Muster aus hellen und dunklen
Bereichen, die sogenannte Granulation. Typische Strukturen darin sind einige
hundert Kilometer groß. "Die Granulation ist in erster Linie für schnelle
Helligkeitsschwankungen der Sonne, die sich innerhalb von weniger als fünf
Stunden vollziehen, verantwortlich", erklärt Dr. Natalie Krivova vom MPS.
Zum anderen spielen die veränderlichen Magnetfelder der Sonne eine
entscheidende Rolle. An der sichtbaren Oberfläche unseres Sterns machen sie sich
in Zeiten hoher Sonnenaktivität durch dunkle Gebiete, sogenannte Sonnenflecken,
und besonders hell leuchtende Bereiche, so genannte Fackeln, bemerkbar. Beide
Strukturen sind im Vergleich zur Granulation sehr großflächig; einige
Sonnenflecken lassen sich sogar mit bloßem Auge von der Erde aus erkennen. Zudem
verändert sich ihre Anzahl und Gestalt deutlich langsamer. Änderungen im
Magnetfeld der Sonne sind deshalb für Helligkeitsschwankungen verantwortlich,
die sich auf Zeitskalen von mehr als fünf Stunden abspielen.
Die Forscher nutzten für ihre Analysen Daten der Raumsonden SOHO (Solar and
Heliospheric Observatory) und Solar Dynamics Observatory, die das
Helligkeitsmuster und die Magnetfelder an der Oberfläche des Sterns seit Jahren
aufzeichnen. Aus diesen Datensätzen, die zum Teil 19 Jahre solarer Entwicklung
abdecken, konnten sie Helligkeitsschwankungen berechnen und wiederum mit
gemessen Werten der Raumsonden PICARD und SOHO vergleichen. Sämtliche bisher
gemessenen Helligkeitsschwankungen – sowohl schnelle, als auch sehr langfristige
– lassen sich so reproduzieren.
"Die Resultate unserer Studie zeigen uns, dass wir in unserem Modell die
maßgeblichen Parameter identifiziert haben," folgert Prof. Dr. Sami K. Solanki,
Direktor am MPS. "Dies wird es uns erlauben, endlich auch die
Helligkeitsschwankungen anderer Sterne zu modellieren."
Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler in einem Fachartikel, der
in der Zeitschrift Nature Astronomy erschienen ist.
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