Während sich die Welt mit der Coronavirus-Pandemie befasst hat, haben Forscher des Instituts für Astronomie der Universität von Hawaii (IfA) hart daran gearbeitet, die Sonnenkorona zu untersuchen, die äußerste Atmosphäre der Sonne, die sich in den interplanetaren Raum ausdehnt. Dieser Strom geladener Teilchen, der von der Sonnenoberfläche ausstrahlt, wird Sonnenwind genannt und dehnt sich aus, um das gesamte Sonnensystem zu füllen.

Die Eigenschaften der Sonnenkorona sind eine Folge des komplexen Magnetfeldes der Sonne, das im Sonneninneren erzeugt wird und sich nach außen erstreckt. Eine neue Studie des IfA-Doktoranden Benjamin Boe, die am Mittwoch, den 3. Juni, im Astrophysical Journal veröffentlicht wurde, verwendete Beobachtungen der totalen Sonnenfinsternis, um die Form des koronalen Magnetfelds mit höherer räumlicher Auflösung und über eine größere Fläche als je zuvor zu messen.Die Korona ist am leichtesten während einer totalen Sonnenfinsternis zu sehen – wenn sich der Mond direkt zwischen der Erde und der Sonne befindet und die helle Oberfläche der Sonne blockiert. Bedeutende technologische Fortschritte in den letzten Jahrzehnten haben einen Großteil des Fokus auf weltraumgestützte Beobachtungen bei Wellenlängen des Lichts verlagert, die vom Boden aus nicht zugänglich sind, oder auf große bodengestützte Teleskope wie das Daniel K. Inouye Solar Telescope auf Maui. Trotz dieser Fortschritte können einige Aspekte der Korona nur während totaler Sonnenfinsternisse untersucht werden.Aus diesem Grund leitet Shadia Habbal, Beraterin und koronale Forschungsexpertin der Boe, seit über 20 Jahren eine Gruppe von Eclipse-Verfolgern, die wissenschaftliche Beobachtungen während Sonnenfinsternissen durchführen. Die sogenannten „Sonnenwind-Sherpas“ reisen um den Globus, jagen totalen Sonnenfinsternissen nach und transportieren empfindliche wissenschaftliche Instrumente in Flugzeugen, Hubschraubern, Autos und sogar Pferden, um die optimalen Standorte zu erreichen. Diese Sonnenfinsternisbeobachtungen haben zu Durchbrüchen bei der Enthüllung einiger der Geheimnisse der physikalischen Prozesse geführt, die die Korona definieren.“Die Korona wird seit weit über einem Jahrhundert mit totalen Sonnenfinsternissen beobachtet, aber nie zuvor wurden Sonnenfinsternisbilder verwendet, um ihre Magnetfeldstruktur zu quantifizieren“, erklärte Boe, „ich wusste, dass es möglich sein würde, viel mehr Informationen zu extrahieren, indem moderne Bildverarbeitungstechniken auf Sonnenfinsternisdaten angewendet werden.“ Boe verfolgte das Muster der Verteilung der Magnetfeldlinien in der Korona mit einer automatischen Verfolgungsmethode, die auf Bilder der Korona angewendet wurde, die während 14 Finsternissen in den letzten zwei Jahrzehnten aufgenommen wurden. Diese Daten boten die Möglichkeit, die Veränderungen in der Korona über zwei 11-jährige magnetische Zyklen der Sonne zu untersuchen.

Boe fand heraus, dass das Muster der koronalen Magnetfeldlinien stark strukturiert ist, wobei Strukturen in Größenskalen bis zur Auflösungsgrenze der für die Beobachtungen verwendeten Kameras zu sehen sind. Er sah auch, wie sich das Muster mit der Zeit änderte. Um diese Veränderungen zu quantifizieren, hat Boe den Magnetfeldwinkel relativ zur Sonnenoberfläche gemessen.

Während Perioden minimaler Sonnenaktivität strahlte das Feld der Korona in der Nähe des Äquators und der Pole fast direkt aus der Sonne aus, während es in mittleren Breiten in verschiedenen Winkeln herauskam. Während des Sonnenaktivitätsmaximums hingegen war das koronale Magnetfeld weit weniger organisiert und radialer.“Wir wussten, dass es Veränderungen im Laufe des Sonnenzyklus geben würde“, bemerkte Boe, „aber wir haben nie erwartet, wie ausgedehnt und strukturiert das koronale Feld sein würde. Zukünftige Modelle werden diese Merkmale erklären müssen, um das koronale Magnetfeld vollständig zu verstehen.“

Diese Ergebnisse stellen die aktuellen Annahmen in Frage, die in der Koronalmodellierung verwendet werden, die oft davon ausgehen, dass das koronale Magnetfeld über 2,5 Sonnenradien hinaus radial ist. Stattdessen fand diese Arbeit heraus, dass das koronale Feld oft nicht radial zu mindestens vier Sonnenradien war.

Diese Arbeit hat weitere Auswirkungen auf andere Bereiche der Solarforschung, einschließlich der Bildung des Sonnenwinds, der das Erdmagnetfeld beeinflusst und Auswirkungen auf den Boden haben kann, wie z. B. Stromausfälle.

„Diese Ergebnisse sind von besonderem Interesse für die Bildung von Sonnenwinden. Es zeigt, dass die führenden Ideen zur Modellierung der Entstehung des Sonnenwindes noch nicht vollständig sind und daher unsere Fähigkeit, Weltraumwetter vorherzusagen und zu verteidigen, verbessert werden kann „, sagte Boe.

Das Team plant bereits seine nächsten Eclipse-Expeditionen, die nächste ist für Südamerika im Dezember dieses Jahres geplant.

Die Ergebnisse werden in der 3. Juni-Ausgabe des Astrophysical Journal veröffentlicht und sind auch in Preprint-Form auf arXiv verfügbar.