Warum unsere Sonne bizarre Gammastrahlen aussendet
Die im gesamten Universum durch gewaltige astrophysikalische Ereignisse wie Supernova-Explosionen und Quasare erzeugte kosmische Strahlung lässt in Wechselwirkung mit der Sonnenatmosphäre eine ganze Kaskade an Protonen, Elektronen, Neutronen, Myonen und elektromagnetischer Strahlung entstehen. Diese Menge an sekundären „Botenstoffen“ und Strahlung überflutet die Sonnenatmosphäre mit Gammastrahlen. Hochenergetische Strahlung dieser Art unterscheidet sich sehr wahrscheinlich völlig von jener Gammastrahlung, die durch Fusionsprozesse im Sonnenkern erzeugt wird und es nie bis in die äußeren Schichten schafft, bevor sie in niederenergetische Strahlung umgewandelt wird. „Ein Jahrzehnt detaillierter Beobachtungen unserer Sonne mit dem Weltraumteleskop Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA haben ergeben, dass die Magnetfelder der Sonne die Wechselwirkung der kosmischen Strahlung mit der Sonnenatmosphäre stark beeinflussen sollten. Die konkreten Mechanismen, wie starke Ströme von Gammastrahlen am hochenergetischen Ende erzeugt werden, sind nach wie vor ein Rätsel“, berichtet Kenny Chun Yu Ng, Koordinator des Projekts SolarIC, das im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanziert wurde.
Der rätselhaften Rolle der Magnetfelder auf der Spur
„Die Produktionsmechanismen der Gammastrahlen zu verstehen, könnte einen neuen Weg zur Erforschung der Magnetfelder der Sonne weisen“, fügt Ng hinzu. Für Weltraumwetterphänomene auf der Erde, die von wunderschönen Polarlichtern bis hin zu Schäden an Satelliten reichen, sind zum großen Teil starke Eruptionen in der Nähe der Sonnenoberfläche, die sogenannten koronalen Massenauswürfe, verantwortlich, die durch Rekonnexionen des Magnetfelds ausgelöst werden. Solare Gammastrahlung kann sehr wahrscheinlich als Instrument zur Überwachung des Weltraumwetters dienen. Im Rahmen von SolarIC simulierten die Forschenden die Ausbreitung der kosmischen Strahlung in der Nähe der Sonnenatmosphäre und berücksichtigten dabei auch die Magnetfelder außerhalb der Atmosphäre. „Erstmals in der Solarastronomie konnten wir nachweisen, dass die Magnetfelder oberhalb der Sonnenoberfläche zur Erzeugung der niederenergetischen Gammastrahlen (mit einer Energie von etwa dem Milliardenfachen des sichtbaren Lichts) führen. Interessanterweise krümmen die Magnetfelder die Bahnen der kosmischen Strahlen und erschaffen auf diese Weise günstige Bedingungen für die Entstehung der beobachtbaren Gammastrahlen“, erklärt Ng. Auch wenn die Simulationsergebnisse starke Hinweise auf einige der beobachteten solaren Gammastrahlen liefern, können sie das Rätsel der solaren Gammastrahlen jedoch nicht vollständig lösen. „Zur Überraschung der Wissenschaft hat das Fermi-Teleskop während des Minimums der Sonnenaktivität, also in der ruhigsten Phase des Sonnenzyklus, Gammastrahlen aufgezeichnet, die eine Billion Mal energiereicher als sichtbares Licht sind“, so Ng. „Die Erkenntnisse aus dieser Arbeit lassen darauf schließen, dass eine neue Art des solaren Magnetfelds, viel stärker als das von uns verwendete, gebraucht wird. Wir erforschen gegenwärtig aktiv, wie wir dieses Wissen in unsere Simulationen einfließen lassen können.“ So konnte SolarIC zwar aufklären, wie Magnetfelder die Erzeugung von Gammastrahlung antreiben, aber es verdeutlichte gleichermaßen, dass neue Ideen und quantitative Studien erforderlich sind, um die intensive Strahlung zu erklären, die während des letzten Sonnenminimums auftrat. „Ungeachtet ihrer Nähe und enormen Bedeutung für das Leben auf der Erde bleibt die Sonne weiterhin ein brennendes Geheimnis. Die Magnetfelder der Sonne sind derart kompliziert, dass die Vorhersage der Ausbreitung der kosmischen Strahlung innerhalb der Sonnenatmosphäre und damit die Erzeugung der Gammastrahlen eine große Herausforderung darstellt“, bekräftigt Ng. „Was die Sache noch interessanter macht, ist die Tatsache, dass die Gammastrahlung auf die Vernichtung dunkler Materie hindeuten könnte, was die Sonne als eine mögliche Quelle exotischer Materiezustände erscheinen lässt.“
Schlüsselbegriffe
SolarIC, Sonne, Magnetfeld, Gammastrahlung, kosmische Strahlung, Sonnenminimum, Minimum der Sonnenaktivität, exotische Materie, dunkle Materie