Wissenschaftler enthüllen die Wissenschaft hinter Plasmajets, die in der gesamten Chromosphäre der Sonne auftreten

Diese Jets oder Nadeln erscheinen als dünne, grasähnliche Plasmastrukturen, die ständig von der Oberfläche hochschießen und dann durch die Schwerkraft abgesenkt werden. Die Menge an Energie und Impuls, die diese Nadeln tragen können, ist von grundlegendem Interesse in der Sonnen- und Plasma-Astrophysik. Die Prozesse, durch die Plasma dem Sonnenwind zugeführt und die Sonnenatmosphäre auf eine Million Grad Celsius erhitzt wird, bleiben ein Rätsel.

Unter der Leitung von Astronomen des Indian Institute of Astrophysics, einem autonomen Institut des Department of Science and Technology (DST), Govt. of India erklärte ein Team interdisziplinärer Forscher aus Indien und dem Vereinigten Königreich den Ursprung der „Spicules“ auf der Sonne, indem sie Laborexperimente als Analogie verwendeten. Sie fanden heraus, dass die Physik hinter Farbstrahlen, wenn sie über einen Lautsprecher angeregt werden, analog zu Sonnenplasmastrahlen ist.

Bei dem Versuch, die zugrunde liegende Physik der Spicule-Dynamik zu erforschen, wandte sich das Team an einen Lautsprecher. Ein Woofer reagiert auf niederfrequente Erregung wie das Rumpeln, das man in Filmen hört. Stellt man eine Flüssigkeit über einen solchen Lautsprecher und schaltet die Musik ein, wird die freie Oberfläche der Flüssigkeit ab einer bestimmten Frequenz instabil und beginnt zu vibrieren. Ein schönes Beispiel für „Faradays Aufregung“ in der Natur ist, wenn Wassertropfen während der Balz auf den Rücken eines teilweise untergetauchten männlichen Alligators spritzen. Eine Flüssigkeit wie Farbe oder Shampoo verursacht jedoch ununterbrochene Strahlen, wenn sie über einen Lautsprecher angeregt wird, da ihre langen Polymerketten ihm eine Richtwirkung verleihen.

Die Autoren des Artikels erkannten, dass die diesen Farbstrahlen zugrunde liegende Physik analog zu solaren Plasmastrahlen sein muss. Sie fragten dann, was nötig wäre, um solche Jets im Plasma zu erzeugen? Sahel Dey vom Indian Institute of Astrophysics (IIA) und Erstautor der Studie erklärte: „Solarplasma kann man sich so vorstellen, dass es von magnetischen Feldlinien durchzogen wird, ähnlich wie die langen Schnüre in Polymerlösungen. Dadurch werden die beiden Systeme anisotrop, wobei die Eigenschaften mit der Raumrichtung variieren.“ Auch mathematisch gibt es eine Analogie in der Behandlung der beteiligten Spannungen, obwohl es auch offensichtliche Unterschiede gibt.

„Angeregt durch die visuelle Ähnlichkeit zwischen Sonnennadeln und Farbsprays auf dem Lautsprecher, untersuchten wir die Rolle des Magnetfelds auf der Sonne mithilfe modernster numerischer Simulationen von Sonnenplasma. Parallel dazu untersuchten wir die Rolle von Polymerketten mithilfe von Faraday-Wellen-Zeitlupen-Videografie in Polymerlösungen. erläuterte Murthy OVSN, Co-Autor von der Azim Premji University, wo die Laborexperimente durchgeführt wurden. Sie fanden heraus, dass die Jets durch das Magnetfeld in der Sonne bzw. durch die Polymerketten in der Polymerlösung gegen Instabilitäten intakt gehalten werden.Die Forschung wurde am 3. März 2022 in der Zeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht.

Die Wissenschaftler erklärten, dass sich das Plasma direkt unter der sichtbaren Sonnenoberfläche (Photosphäre) ständig in einem Zustand der Konvektion befindet, ähnlich wie kochendes Wasser in einem beheizten Gefäß am Boden. Diese wird letztendlich durch die im heißen, dichten Kern freigesetzte Kernenergie angetrieben. Konvektion verleiht dem Plasma in der Sonnenchromosphäre, der flachen halbtransparenten Schicht direkt über der sichtbaren Sonnenscheibe, fast periodische, aber starke Stöße. Die Chromosphäre ist 500-mal leichter als das Plasma der Photosphäre. Daher projizieren diese starken Tritte von unten, ähnlich wie das Brüllen von Alligatoren, chromosphärisches Plasma mit Ultraschallgeschwindigkeit in Form dünner Säulen oder Nadeln nach außen.

Spicules gibt es in allen Größen und Geschwindigkeiten. Der bestehende Konsens in der Sonnengemeinschaft besteht darin, dass sich die Physik hinter kurzen Nadeln von der größerer, schnellerer Nadeln unterscheidet.

Die Studie stellt diesen weit verbreiteten Glauben in Frage, indem sie zeigt, dass allein die Sonnenkonvektion alle Arten von Jets bilden kann – sowohl kurze als auch große. „Die Simulationen konnten einen Wald von Jets nachbilden, weil sie einen realistischeren Bereich von Parametern untersuchten als frühere Studien“, fasste Piyali Chatterjee, korrespondierender Autor und IIA-Hauptforscher zusammen. Die Teammitglieder verwendeten drei verschiedene Supercomputer, alle aus Indien, einschließlich einer Einrichtung der National Supercomputing Mission bei JNCASR (Bengaluru), um ihren massiv parallelen wissenschaftlichen Code auszuführen.

Professor Annapurni Subramaniam, Direktorin des IIA, sagte: „Dieser Roman, der Sonnenastronomen und Experimentatoren mit kondensierter Materie zusammenbringt, konnte die zugrunde liegende Ursache für kaum verstandene Sonnennadeln aufdecken. Die Kraft der vereinheitlichenden Physik, die physikalisch unterschiedliche Phänomene verbindet, wird sich als Motor für viel mehr interdisziplinäre Zusammenarbeit erweisen.“

Das Team aus Bengaluru, Indien, umfasst: Dr. Sahel Dey, Doktorandin am IIA und IISc, Dr. Piyali Chatterjee vom IIA und Dr. Murthy OVSN von der Azim Premji University. Zum britischen Team gehören Dr. Marianna Korsós von der Aberystwyth University und Drs. Jiajia Liu und Chris Nelson von der Queen’s University Belfast sowie Professor Robertus Erdelyi von der University of Sheffield, UK-United.