Die Sonne sendet tiefe Töne

Forschende enthüllen aus Satellitendaten und numerischen Modellen langperiodische Schwingungen des Sterns

20. Juli 2021

Ein Team unter der Leitung von Laurent Gizon vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung und der Universität Göttingen hat globale Schwingungen der Sonne mit sehr langen Perioden, vergleichbar mit ihrer 27-tägigen Rotationszeit, entdeckt. Die Schwingungen zeigen sich an der Sonnenoberfläche als riesige Wirbelbewegungen mit Geschwindigkeiten von rund fünf Kilometern pro Stunde. Die Gruppe hatte Messdaten der NASA-Raumsonde Solar Dynamics Observatory (SDO) ausgewertet, die einen Zeitraum von zehn Jahren abdecken. Mithilfe von Computersimulationen haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gezeigt, dass es sich bei den neu entdeckten Schwingungen um Resonanzmoden handelt, die ihre Existenz der sogenannten differenziellen Rotation der Sonne verdanken.

Trägheitsmode mit maximaler Geschwindigkeit in hohen Breitengraden

Die mit der retrograden Ausbreitung der Schwingungsmode verbundene Geschwindigkeit in Ost-West-Richtung. Links: Beobachtungen mit dem SDO/HMI-Instrument. Rechts: numerisches Modell. Ton: gefilterte Daten (86 ± 10 nHz), verschoben in das hörbare Spektrum; die Tonvariationen geben Aufschluss über Anregung und Dämpfung der Mode.
 

Die „hohen Töne“ der Sonne sind seit den 1960er-Jahren bekannt: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler hatten entdeckt, dass die Sonne wie eine Glocke schwingt. Plasmaströme nahe der Sonnenoberfläche regen Millionen von Moden akustischer Wellen mit kurzen Perioden von etwa fünf Minuten an, die im Sonneninnern gefangen sind. Mithilfe von erdgebundenen Teleskopen und Weltraumobservatorien werden diese schnellen Schwingungen seit Mitte der 1990er-Jahre ununterbrochen beobachtet.

Mit der Helioseismologie haben Forschende mehr über die innere Struktur und Dynamik unseres Sterns erfahren - so wie Seismologinnen mithilfe von Erdbeben das Innere der Erde erforschen. Einer der großen Erfolge diese Methode war das Kartieren der Sonnenrotation in Abhängigkeit von der Tiefe und der heliografischen Breite. Denn die Sonne dreht sich in verschiedenen Breiten unterschiedlich schnell; man spricht von differenzieller Rotation.

Zusätzlich zu den kurzperiodischen Schwingungen wurde schon vor mehr als 40 Jahren vorhergesagt, dass Sterne auch Schwingungen mit deutlich längeren Perioden aufweisen. Auf der Sonne ließen sie sich bisher nicht vollständig identifizieren. „Die langperiodischen Schwingungen hängen von ihrer Rotation ab. Sie sind nicht akustischer Natur“, sagt Laurent Gizon, Erstautor der neuen Studie und Direktor am Göttinger Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung. Um die langperiodischen Sonnenschwingungen zu entdecken, müsse man die horizontalen Bewegungen an der Sonnenoberfläche über viele Jahre hinweg messen. „Die ununterbrochenen Beobachtungen des Helioseismic and Magnetic Imager an Bord von SDO sind für diesen Zweck perfekt geeignet“, so Gizon.

Trägheitsmode mit maximaler Geschwindigkeit in mittleren Breitengraden
 

Die mit der retrograden Ausbreitung der Schwingungsmode verbundene Geschwindigkeit in Ost-West-Richtung. Links: Beobachtungen mit dem SDO/HMI-Instrument. Rechts: numerisches Modell. Ton: gefilterte Daten (73 ± 10 nHz), verschoben in das hörbare Spektrum; die Tonvariationen geben Aufschluss über Anregung und Dämpfung der Mode. 

Sein Team beobachtete einige Dutzend Schwingungsmoden, jede mit ihrer eigenen Periode und räumlichen Abhängigkeit. Einige Schwingungsmoden haben maximale Strömungsgeschwindigkeiten an den Polen, einige in mittleren Breitengraden und einige in der Nähe des Äquators. Diejenigen mit hohen Geschwindigkeiten am Äquator entsprechen den solaren Rossby-Wellen, welche die Forschenden bereits 2018 identifiziert hatten.

„Die langperiodischen Oszillationen manifestieren sich als sehr langsame Wirbelbewegungen an der Sonnenoberfläche mit Geschwindigkeiten von etwa fünf Kilometern pro Stunde. Das ist etwa so schnell wie ein Mensch geht", sagt Zhi-Chao Liang vom Göttinger Max-Planck-Institut. Kiran Jain vom National Solar Observatory (NSO) sowie B. Lekshmi und Bastian Proxauf vom Max-Planck-Institut bestätigten die Ergebnisse mit Daten der Global Oscillation Network Group (GONG), einem Netzwerk von sechs Sonnenobservatorien in den USA, Australien, Indien, Spanien und Chile.

Um das Wesen der neu entdeckten Schwingungen besser zu verstehen, verglich das Team die Beobachtungsdaten mit den Ergebnissen von Computermodellen. „Die Modelle erlauben uns, in das Innere der Sonne zu schauen und die volle dreidimensionale Struktur der Schwingungen zu bestimmen", sagt Max-Planck-Doktorand Yuto Bekki. Um die simulierten Schwingungen zu erhalten, begann das Team mit einem Modell des inneren Aufbaus der Sonne und ihrer differenziellen Rotation, das auf helioseismologischen Daten basiert.

Zudem bezogen die Forscherinnen und Forscher die Stärke der konvektiven Ströme in den oberen Schichten und der turbulenten Bewegungen ein. Werden kleine Störungen des Sonnenmodells berücksichtigt, ergeben sich die freien Schwingungen des Modells. Die entsprechenden Geschwindigkeiten an der Oberfläche stimmen gut mit denen der  beobachteten Schwingungen überein und ermöglichten es, die Moden zu identifizieren.

Rossby-Mode mit maximaler Geschwindigkeit in Äquatornähe

Die mit der retrograden Ausbreitung der Schwingungsmode verbundene Geschwindigkeit in Nord-Süd-Richtung. Links: Beobachtungen mit dem SDO/HMI-Instrument. Rechts: numerisches Modell. Ton: gefilterte Daten (269 ± 10 nHz), verschoben in das hörbare Spektrum; die Tonvariationen geben Aufschluss über Anregung und Dämpfung der Mode. 

„All diese neuen Oszillationen, die wir auf der Sonne beobachten, werden stark von der differenziellen Rotation beeinflusst", sagt Max-Planck-Wissenschaftler Damien Fournier. Die Abhängigkeit der Sonnenrotation vom Breitengrad bestimmt, wo die Geschwindigkeit der Moden am größten ist. „Die Schwingungen hängen zudem empfindlich von Eigenschaften des Sonneninnern ab. Insbesondere von der Stärke der turbulenten Bewegungen und der damit verbundenen Viskosität des Sonnenmediums sowie von der Stärke des konvektiven Antriebs", sagt Fourniers Kollege Robert Cameron.

Diese Abhängigkeit ist an der Basis der Konvektionszone etwa 200.000 Kilometer unter der Sonnenoberfläche stark ausgeprägt. „So wie wir mit der Helioseismologie akustische Schwingungen nutzen, um mehr über die Schallgeschwindigkeit im Sonneninnern zu erfahren, können wir die langperiodischen Schwingungen nutzen, um mehr über die turbulenten Prozesse zu lernen", so Cameron.

„Die Entdeckung einer neuen Art von Sonnenschwingungen ist sehr aufregend. Sie erlaubt uns, auf Eigenschaften wie die Stärke des konvektiven Antriebs zu schließen, die letztlich den solaren Dynamo steuern", sagt Laurent Gizon. Das diagnostische Potenzial der langperiodischen Moden soll in den kommenden Jahren mithilfe eines neuen Computermodells voll ausgeschöpft werden.

BK / HOR

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