Das Innere der Sonne dreht sich nicht in allen Breitengraden mit der gleichen Geschwindigkeit. Der physikalische Ursprung dieser differentiellen Rotation ist noch nicht vollständig geklärt. Ein Team von Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen hat jetzt eine bahnbrechende Entdeckung gemacht. Wie das Team heute in der Zeitschrift Science Advances berichtet, spielen langperiodische Sonnenschwingungen eine entscheidende Rolle dabei, das Rotationsmuster der Sonne zu steuern. MPS-Wissenschaftler hatten diese Schwingungen 2021 entdeckt. Die langperiodischen Schwingungen sind vergleichbar mit den baroklin instabilen Wellen in der Erdatmosphäre, die das Wetter bestimmen. Auf der Sonne transportieren diese Schwingungen Wärme von den etwas heisseren Polen zum etwas kühleren Äquator. Um zu ihren neuen Ergebnissen zu gelangen, werteten die Wissenschaftler Beobachtungen des Solar Dynamics Observatory der NASA mit Hilfe modernster numerischer Simulationen des Sonneninneren aus. Sie fanden heraus, dass der Temperaturunterschied zwischen den Polen und dem Äquator etwa sieben Grad beträgt.
Beitrag: Medienmitteilung Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung
Das differentielle Rotationsmuster der Sonne gibt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler seit Jahrzehnten Rätsel auf: Während sich die Pole mit einer Periode von etwa 34 Tagen drehen, rotieren die mittleren Breiten schneller und die Äquatorregion benötigt nur etwa 24 Tage für eine volle Umdrehung. Darüber hinaus haben in den vergangenen Jahren Fortschritte in der Helioseismologie, d. h. der Untersuchung des Sonneninneren mit Hilfe von solaren Schallwellen, ergeben, dass dieses Rotationsprofil in der gesamten Konvektionszone nahezu konstant ist. Die Konvektionszone der Sonne erstreckt sich von einer Tiefe von etwa 200’000 Kilometern bis zur sichtbaren Sonnenoberfläche und ist Schauplatz heftiger Umwälzungen des heissen Sonnenplasmas. Diese spielen eine entscheidende Rolle für den Magnetismus und die Aktivität der Sonne.
Dreidimensionale Visualisierung der Schwingungen mit maximalen Geschwindigkeiten in hohen Breitengraden der Sonne. Schnappschuss der Stromlinien der langperiodischen Oszillationen in hohen Breiten in der Konvektionszone. Die roten und blauen Farben bezeichnen die prograden (mit der Rotation übereinstimmenden) bzw. retrograden (der Rotation entgegengesetzten) zonalen Strömungen. (Quelle: © MPS / Y. Bekki)
Theoretische Modelle deuten seit Langem darauf hin, dass zwischen den Sonnenpolen und dem Äquator ein geringer Temperaturunterschied vorliegen muss. Nur so lässt sich das bekannte Rotationsmuster der Sonne aufrechterhalten. Diesen Temperaturunterschied zu messen, hat sich allerdings als äusserst schwierig erwiesen. Schliesslich müssen Beobachtungen durch den Hintergrund des tiefen Sonneninneren «hindurchsehen», das eine Temperatur von bis zu einer Million Grad aufweist. Wie die MPS-Forscher zeigen, ist es nun aber möglich, den Temperaturunterschied aus Beobachtungen der langperiodischen Schwingungen der Sonne zu ermitteln.
Schwingungen in hohen Breitengraden steuern die differentielle Rotation
Bei ihrer Analyse von Beobachtungsdaten, die der Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) an Bord des Solar Dynamics Observatory der NASA von 2017 bis 2021 aufgenommen hat, wandten sich die Wissenschaftler globalen Sonnenschwingungen mit langen Perioden zu, die als Wirbelbewegungen an der Sonnenoberfläche erkennbar sind. Vor drei Jahren hatten MPS-Wissenschaftler diese Trägheitsschwingungen entdeckt. Von diesen beobachteten Schwingungsmoden erwiesen sich jene als besonders einflussreich, die ihre maximalen Geschwindigkeiten von bis zu 70 Kilometer pro Stunden in hohen Breitengraden erreichen.
Um die nichtlineare Natur dieser Schwingungen zu untersuchen, wurde eine Reihe numerischer dreidimensionaler Simulationen durchgeführt. In den Simulationen der langperiodischen Schwingungen mit maximalen Geschwindigkeiten in hohen Breiten zeigt sich, dass diese Schwingungen Wärme von den Sonnenpolen zum Äquator transportieren. Dadurch begrenzen sie den Temperaturunterschied zwischen diesen Gebieten auf weniger als sieben Grad. «Der sehr geringe Temperaturunterschied zwischen den Polen und dem Äquator steuert die Drehimpulsbilanz in der Sonne und ist damit ein wichtiger Rückkopplungsmechanismus für die globale Dynamik der Sonne», sagt MPS-Direktor Prof. Dr. Laurent Gizon.
Mit ihren Simulationen haben die Forscher die entscheidenden Prozesse erstmals in einem vollständig dreidimensionalen Modell beschrieben. Frühere Bemühungen hatten sich auf zweidimensionale Ansätze beschränkt, die eine Symmetrie um die Rotationsachse der Sonne voraussetzen. «Der Abgleich der nichtlinearen Simulationen mit den Beobachtungen ermöglichte es uns, die Physik der langperiodischen Schwingungen und ihre Rolle bei der Steuerung der differentiellen Rotation der Sonne zu verstehen», sagt Dr. Yuto Bekki, MPS-Postdoc und Hauptautor der Studie.
Sonneninneres und Erdatmosphäre haben eine ähnliche Physik
Die Oszillationen mit maximalen Geschwindigkeiten in hohen Breitengraden der Sonne werden ähnlich wie aussertropische Wirbelstürme auf der Erde durch ein Temperaturgefälle angetrieben. Die Physik ist ähnlich, auch wenn die Details unterschiedlich sind: «Auf der Sonne ist der Sonnenpol etwa sieben Grad heisser als der Äquator, und das reicht aus, um Strömungen von etwa 70 Kilometern pro Stunde über einen grossen Teil der Sonne anzutreiben. Der Prozess ähnelt in gewisser Weise dem Antrieb von Wirbelstürmen», sagt MPS-Wissenschaftler Dr. Robert Cameron.
Die linke Spalte zeigt die beobachtete Geschwindigkeitseigenfunktion der m=1-Mode der Schwingungen mit maximalen Geschwindigkeiten in hohen Breitengraden und das durch globale Helioseismologie gemessene interne Rotationsprofil der Sonne. Die mittlere Spalte zeigt die entsprechenden simulierten Grössen. Die rechten Felder zeigen die simulierten Amplituden der m=1-Mode und der differentiellen Breitenrotation als Funktionen der Temperaturdifferenz zwischen Pol und Äquator.
Grosse Erwartungen
Die Physik des tiefen Sonneninneren zu erforschen ist schwierig. Die aktuelle Studie ist wichtig, da sie zeigt, dass die langperiodischen Schwingungen der Sonne nicht nur nützliche «Diagnoseinstrumente» für das Sonneninnere sind, sondern dass sie aktiv die Prozesse in der Sonne steuern. Zukünftige Arbeiten, die im Rahmen des ERC Synergy Grant WHOLESUN und des Sonderforschungsbereiches 1456 ‘Mathematik des Experiments’ durchgeführt werden, zielen darauf ab, die Rolle dieser Schwingungen und ihr diagnostisches Potenzial besser zu verstehen.