Wissen : Stürmischer Stern

Sie vibriert, hat Flecken und spuckt riesige Plasmawolken aus. Mit einem neuen Teleskop wollen Forscher die Sonne besser verstehen – und gefährliche Stürme vorhersagen.

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Sonnentürme. Gregor (ganz links) ist das neueste der Sonnenteleskope auf Teneriffa. Foto: tdp
Sonnentürme. Gregor (ganz links) ist das neueste der Sonnenteleskope auf Teneriffa. Foto: tdp

Dirk Soltau fährt seit über 30 Jahren nach Teneriffa, etwa fünf Mal pro Jahr. Wegen der Sonne. „Aber wenn ich aus Teneriffa zurückfliege, bin ich noch blasser als vorher“, sagt er. Denn statt im sonnigen Süden der Kanareninsel am Strand zu liegen, begibt er sich hinauf ins Vulkangebirge und versteckt sich in einem dunklen Turm: einem Sonnenteleskop.

Soltau ist Astronom. Sein Forschungsobjekt ist die Sonne, der Himmelskörper, der uns mit Licht und Wärme versorgt und unser aller Lebensrhythmus prägt. Sie ist der Modellstern schlechthin, der einzige im All, der der Erde so nah ist, dass Wissenschaftler in sein Innerstes hineinschauen können.

In dieser Woche wurde auf Teneriffa das europäische Sonnenteleskop Gregor feierlich eingeweiht. Soltau hat es maßgeblich mit aufgebaut – und kann die ersten Ergebnisse kaum erwarten. Denn die große Lichtsammelfläche des Teleskopspiegels verspricht die bisher schärfsten Bilder der Sonne. Sie sollen neue Einblicke in den Wärmetransport im Sonneninneren und in ihr Magnetfeld geben. Die Forscher wollen vor allem besser verstehen, wie Sonnenstürme entstehen, gewaltige Entladungen der Sonne, die unter anderem Satelliten schädigen und so auch Chaos auf der Erde verursachen können. „Gregor wird hierzu ganz neue Möglichkeiten eröffnen“, sagt Sami Solanki, Direktor des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung in Katlenburg-Lindau.

Teneriffa ragt steil aus dem Meer heraus. Mehr als 3700 Meter sind es bis zum Gipfel des Teide. Den Vulkan umgibt eine Lavalandschaft mit bizarren Gesteinsformationen und dort, auf dem Berg Izaña, haben sich auf 2400 Metern Höhe Astronomen aus aller Welt angesiedelt. Kuppeln und Türme schießen wie Pilze aus dem Boden, da die Sichtverhältnisse ausgezeichnet sind, wie Soltau bereits 1979 bei ersten Tests herausfand.

Bald darauf nahmen die Pläne für das erste Sonnenobservatorium Gestalt an, das „Vakuum-Turmteleskop“. Es ist 35 Meter hoch und reicht weitere 15 Meter tief in die Lavaerde hinein. Im Innern des Turms läuft das Sonnenlicht durch ein 46 Meter langes Vakuumrohr. Um das Abbild der Sonne möglichst stark zu vergrößern, benötigt man Spiegel mit derart großer Brennweite. Nun ist das neue Teleskop fertig, eine Kooperation des Kiepenheuer-Instituts für Sonnenphysik in Freiburg, an dem Soltau arbeitet, mit dem Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, dem Astrophysikalischen Institut Potsdam und der Uni Göttingen.

Die meiste Zeit verbringt Soltau vor einem Computermonitor und studiert Sonnenflecken, außergewöhnlich dunkle Gebiete auf der Sonnenoberfläche, die jeden Tag ein wenig anders aussehen. Der Fleck auf seinem Bildschirm erinnert an ein Gemälde von van Gogh: Aus einer dunklen Mitte, einer Art Trichter, laufen dünne, hellere Filamente radial nach außen wie die schmalen Blütenblätter einer Sonnenblume. Das Gebilde hat eine Ausdehnung von 30 000 Kilometern. Das ist zweieinhalbmal so groß wie die Erde.

Sonnenflecken treten fast immer in Gruppen auf. Ihre Anzahl nimmt in einem Zyklus von elf Jahren zu – und wieder ab. Seit 2010 steigt sie wieder. Das heißt auch, dass die Sonne wieder aktiver wird.

Die gesamte Energie, die die Sonne abstrahlt, kommt aus ihrem heißen Zentrum. Dort verschmelzen bei unvorstellbaren 15 Millionen Grad Celsius Wasserstoffkerne zu Helium. In jeder Sekunde verwandeln sich durch Kernfusion 564 Millionen Tonnen Wasserstoff in 560 Millionen Tonnen Helium. Die restlichen vier Millionen Tonnen werden als Energie frei: als Gammastrahlung. Die Strahlung gelangt über verschiedene Umwandlungsprozesse an die Sonnenoberfläche. Dort in der Photosphäre beträgt die Temperatur nur noch etwa 5500 Grad Celsius.

Ist die Strahlung im Kern der Sonne entstanden, trifft sie zunächst auf Plasmateilchen, wird von diesen absorbiert und wieder ausgesendet. Auf diese Weise transportiert die Strahlung die Energie in unzähligen Prozessen bis hinauf in die Konvektionszone. Von da an setzt ein effektiverer Wärmeaustausch ein. Ähnlich wie in einem Kochtopf steigt heißes Plasma aus den tieferen Sonnenschichten auf, kühlt an ihrer Oberfläche ab und sinkt wieder nach unten. Beim Blick durchs Teleskop ist diese Umwälzbewegung als Körnigkeit der Sonnenoberfläche zu erkennen: Helle Zonen von mehr als 1000 Kilometern Durchmesser, die Granulen, werden von dunklen Zwischenräumen unterbrochen.

Auffälliger als die Granulen sind aber die Sonnenflecken. Dabei handelt es sich um Gebiete, die rund 1500 Grad kälter sind als ihre Umgebung. Im Innern der Flecken gelangt nämlich nur wenig heißes Plasma nach oben. Der Energiefluss wird dort durch Magnetfelder gebremst.

Dennoch steigt die Aktivität der Sonne mit der Zahl der Flecken. Denn während sich die Sonne hier und da verfinstert, kommt es an anderen Stellen zu heftigen Eruptionen. Dort schleudert die Sonne elektrisch geladene Teilchen weit ins All hinaus. Sie branden auch auf der Erde an, beschädigen Satelliten und stören den Funkverkehr. In seltenen Fällen legen sie ganze Stromnetze lahm. Die Hoffnung der Forscher: Verstehen sie das brodelnde Sonnenfeuer besser, können sie auch das Weltraumwetter besser vorhersagen.

Soltau ist für die „adaptive Optik“ zuständig. Im langärmligen Khakihemd steht er vor einer Anordnung von Spiegeln, dreht an einer Mikrometerschraube und verfolgt aufmerksam, wie sich das Abbild der Sonne währenddessen verändert. „Hier oben im Gebirge haben wir etwa 30 Prozent der Atmosphäre unter uns.“ Dennoch muss das Sonnenlicht einen Teil der turbulenten Erdatmosphäre durchqueren. Es wird dabei an Luftschichten unterschiedlicher Temperatur gebeugt. Wegen dieser Luftunruhe funkeln die Sterne. Von einer Raumstation aus betrachtet, stehen die Sterne dagegen völlig still.

Soltaus Ziel ist es, den Blick auf die Sonne so weit zu verbessern, als befände sich das Teleskop im All. Ein Sensor hilft dabei. Er misst das einfallende Sonnenlicht mehr als 1000-mal in der Sekunde und registriert, in welcher Weise es durch das Zittern der Luft verzerrt wird. Die Daten gelangen über einen Rechner zu einem elektronisch steuerbaren Korrekturspiegel, einem Wunderwerk der Technik. Piezo-Aktuatoren verformen diesen Spiegel unablässig. Und zwar so, dass potentielle Abbildungsfehler in jedem Moment ausgeglichen werden.

Auf diese Weise können Forscher die Sonnenflecken in noch kleinere Filamente auflösen und verfolgen, wie die dunklen Muster zu ihrer enormen Größe anwachsen.

„Passen Sie auf, man wird geblendet!“ Vorsichtig hebt Soltau die Dachluke zur Teleskopkuppel und tritt ins grelle Tageslicht. Von hier oben eröffnet sich ein einzigartiger Blick über die weite Vulkan- und die nahe Teleskoplandschaft. „Da hinten zum Beispiel sitzen die Amerikaner“, sagt er und deutet auf ein niedriges weißes Gebäude. „Sie messen die Beben der Sonne.“ Ihr Experiment heißt „Gong“. Tatsächlich vibriert die Sonne wie eine Glocke. Alle fünf Minuten dehnt sie sich ein wenig aus und zieht sich wieder zusammen, ihre Oberfläche hebt und senkt sich dabei um etwa einen Kilometer.

Ähnlich wie Seismologen mithilfe von Erdbebenwellen das Erdinnere erkunden, werfen Helioseismologen über die Analyse dieser Schwingungen einen Blick ins Zentrum des Sterns. Dabei haben sie herausgefunden, dass sich die Sonne keineswegs gleichmäßig um ihre Achse dreht. Weder an der Oberfläche rotiert sie wie ein starrer Körper noch in der Konvektionszone, in der die Umwälzung des Plasmas vonstatten geht. Stattdessen ist die Umlaufzeit am Äquator mit 25 Tagen deutlich kürzer als an den Polen, wo die Periode 36 Tage beträgt. Diese ungleichmäßige Rotation beeinflusst das Magnetfeld der Sonne und damit die Sonnenflecken.

Man kann sich die Sonne als heißen Gasball vorstellen. Aber in der ungeheuren Hitze im Sonneninnern trennen sich die Elektronen von den Atomen. So entstehen negativ und positiv geladene Teilchen, fließen elektrische Ströme. Die Plasmaströme in der Konvektionszone erzeugen zugleich ein Magnetfeld, das etwa 20-mal stärker ist als das Magnetfeld der Erde, in den Sonnenflecken sogar mehrere 1000-mal größer. Soltau und seine Kollegen haben nach und nach ein immer besseres Bild davon gewonnen, wie die starken Magnetfelder im Sonneninnern den Energietransport bremsen und Sonnenflecken hervorrufen. Bei seiner Umwälzbewegung kann das nach oben aufsteigende Plasma das Magnetfeld nämlich nicht ohne Weiteres mitnehmen. Wo sich Magnetfeldlinien in Bündeln konzentrieren, entwickeln sie ähnliche Kräfte wie gespannte Gummibänder. Sie widersetzen sich dem Auftrieb und behindern den Wärmetransport in der Konvektionszone. Infolgedessen entstehen kühlere Oberflächengebiete: die Sonnenflecken.

Eines der größten Rätsel birgt nach wie vor die äußere Hülle der Sonne, ihre Korona. Während die Temperatur an der Sonnenoberfläche bei etwa 5500 Grad Celsius liegt, steigt sie nach außen hin noch einmal rapide an. Bis zu zwei Millionen Grad ist die Korona heiß. Warum das so ist, darüber können Forscher nach wie vor nur spekulieren. Und was löst die heftigen Strahlungsausbrüche der Sonne aus?

Obschon unsere Sonne 150 Millionen Kilometer entfernt ist, möchten Forscher mit dem „Gregor“-Teleskop Details erkennen, die nur 50 oder 100 Kilometer groß sind. „Meine persönliche Belohnung ist ein knackigscharfes Bild der Sonne“, sagt Soltau. Seine Arbeit dürfte auch das immer noch viel zu grobe Bild unseres Zentralgestirns ein wenig schärfen.

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