Einem Forschungsteam ist es mithilfe des Inouye Solar Telescope auf Maui (Hawaii) erstmals gelungen, die Kelvin-Helmholtz-Instabilität (KHI) direkt in der Sonnenphotosphäre nachzuweisen. Diese war für die Sonne bislang nur theoretisch vorhergesagt worden. Bei der KHI handelt es sich um einen physikalischen Effekt, der entsteht, wenn zwei Fluide mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aneinander vorbeiströmen. Zugleich sind bei der Untersuchung sehenswerte neue Nahaufnahmen der Sonne entstanden.

Die Kelvin-Helmholtz-Instabilität ähnelt brechenden Ozeanwellen. Sie ist ungefähr seit dem Jahr 1870 bekannt und wurde von Lord Kelvin sowie Hermann von Helmholtz entdeckt. Sie tritt zum Beispiel bei der Wolkenbildung auf, in der Atmosphäre von Gasriesen wie Saturn und Jupiter oder bei Wechselwirkungen zwischen Sonnenwinden und Planetenmagnetfeldern. Jetzt konnte sie erstmals direkt auf der Sonnenoberfläche beobachtet werden.

Höchstaufgelöste Aufnahme der Photosphäre

Möglich wurde dies durch die höchstaufgelöste Aufnahme, die je von der Photosphäre gemacht wurde. Dabei wurden dutzende wirbelartige Strukturen an den Rändern magnetischer Bereiche entdeckt.

Um die Beobachtungen zweifelsfrei der KHI zuzuordnen, verglich das Team die Inouye-Aufnahmen mit Computersimulationen der Photosphäre, die mit dem Code MURaM (MPS/University of Chicago Radiative MHD) erstellt wurden. Die Simulationen basieren auf grundlegenden physikalischen Gleichungen und zeigen Prozesse, die sich direkt kaum beobachten lassen. Beobachtung und Simulation stimmten dabei auffällig überein.

Das Daniel-K.-Inouye-Sonnenteleskop der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF), das vom National Solar Observatory der NSF auf Maui, Hawaii, errichtet wurde und betrieben wird.

(Bild: NSF/NSO/AURA)

Sowohl in den Aufnahmen als auch in den Simulationen lag der mittlere Abstand zwischen den Wirbeln – die sogenannte Instabilitäts-Wellenlänge – bei rund 49 Kilometern (Simulation) beziehungsweise 65 Kilometern (Beobachtung). Diese Übereinstimmung von Theorie, Beobachtung und Simulation gilt als entscheidender Beleg dafür, dass es sich bei den entdeckten Strukturen tatsächlich um Kelvin-Helmholtz-Instabilität handelt.

KHI könnte Rätsel lösen

KHI könnte der bislang unbekannte Auslöser für „Flux Braiding“ sein – das Verdrillen von Magnetfeldlinien, das über „magnetische Rekonnexion“ Energie freisetzt und Grundlage für Flares, Jets sowie koronale Massenauswürfe ist. Da die Wirbel überall und ständig an Stellen mit ausreichend starkem Magnetfeld auftreten, könnten sie der permanente „Motor“ für die Verdrillung der Feldlinien sein.

Die Entdeckung könnte ein Beitrag zur Lösung des Rätsels der Korona-Aufheizung sein. Dabei geht es um die Frage, warum die äußere Sonnenatmosphäre Millionen Grad heiß ist, obwohl sie weiter von der Kernfusion entfernt liegt als die kühlere Photosphäre. Die KHI mischt effizient magnetisiertes und nicht-magnetisiertes Plasma und könnte die fehlende Erklärung für die schnelle Diffusion des solaren Magnetfelds liefern.

Das verwendete Inouye-Teleskop gilt mit seinem 4-Meter-Spiegel als leistungsfähigstes Sonnenteleskop der Welt. Es ermöglicht erstmals Bilder mit der Auflösung im Bereich weniger Kilometer auf der Sonnenoberfläche. An der Untersuchung beteiligt waren das National Solar Observatory (NSO), das NSF NCAR High Altitude Observatory (HAO) und das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS). Die Ergebnisse wurden in „Nature“ veröffentlicht.

(mki)