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SONNE
Warum die Helligkeit der Sonne schwankt
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung
24. August 2017

Die Helligkeit von Sternen ist nicht konstant. Das kann auch für Exoplaneten-Jäger zum Problem werden, da solche Helligkeitsschwankungen auch einen umlaufenden Planeten vorgaukeln können. Um die Prozesse hinter diesen Schwankungen besser zu verstehen, haben Forscher nun unsere Sonne näher untersucht und festgestellt, dass nur zwei Phänomene für die Helligkeitsschwankungen verantwortlich sind. 

Sonne

Für langfristige Schwankungen der Helligkeit der Sonne sind ihre veränderlichen Magnetfelder verantwortlich. An der Oberfläche der Sonne machen sie sich wie hier unter anderem durch dunkle Gebiete, sogenannte Sonnenflecken, bemerkbar.  Bild: NASA/SDO [Großansicht]

Für die Helligkeitsschwankungen der Sonne sind allein zwei Phänomene unseres Sterns verantwortlich: die Magnetfelder an seiner sichtbaren Oberfläche und gewaltige Plasmaströme, die aus dem Innern emporbrodeln. Zu diesem Ergebnis kommen Forscher unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS)  jetzt in einer neuen Studie. Den Wissenschaftlern gelingt es erstmals, Helligkeitsschwankungen auf allen bisher beobachteten Zeitskalen zu rekonstruieren: von solchen, die sich innerhalb von Minuten abspielen, bis hin zu solchen, die Jahrzehnte überspannen.

Die neuen Erkenntnisse sind nicht nur für die Klimaforschung wichtig, sondern lassen sich auch auf ferne Sterne übertragen - und könnten in Zukunft die Suche nach Exoplaneten erleichtern. Zieht ein Exoplanet an seinem Zentralstern vorüber, verdunkelt sich dieser für kurze Zeit. Selbst aus einer Entfernung von Billionen von Kilometern können Weltraumteleskope diese Veränderung registrieren – und somit den Exoplaneten aufspüren - zumindest in der Theorie.

In der Praxis ist dies komplizierter, denn wie die Helligkeit der Sonne, schwankt auch die Helligkeit vieler Sterne. Die Schwankungen können die Signale vorbeiziehender Exoplaneten überdecken. "Wenn man allerdings die Helligkeitsschwankungen, die dem Stern selbst zu eigen sind, genau kennt, lassen sich Exoplaneten mit hoher Genauigkeit aufspüren", erklärt Dr. Alexander Shapiro vom MPS.

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Einen ersten Schritt in diese Richtung gehen der Forscher und seine Kollegen in ihrer aktuellen Studie – mit einem genauen Blick auf einen besonderen Stern: unsere Sonne. Seit Beginn des Weltraumzeitalters vor fast 40 Jahren liefern zahlreiche Raumsonden detaillierte Messdaten aus vergleichsweise großer Nähe. Diese stellen jedes Modell, das stellare Helligkeitsschwankungen beschreibt, auf eine harte Probe: Lassen sich die gemessenen Schwankungen mit dem Modell rekonstruieren? Und ist es möglich, die Schwankungen auf physikalische Eigenschaften des Sterns zurückzuführen?

Eine besondere Schwierigkeit: Die Helligkeit unseres Sterns variiert auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen. Einige Schwankungen vollziehen sich innerhalb weniger Minuten; andere, die sich etwa auf das langfristige Klimageschehen auf der Erde auswirken, lassen sich erst im Verlauf von Jahrzehnten aufspüren. Eine stimmige Theorie, die all diese Größenordnungen umfasst, fehlte bisher.

Der neuen Studie gelingt genau dieses Kunststück. Sie beweist, dass nur zwei Phänomene bestimmen, wie hell unser Stern leuchtet. Zum einen sind dies die heißen Plasmaströme, die aus dem Innern des Sterns aufsteigen, abkühlen und wieder in die Tiefe sinken. Das aufsteigende, heiße Material leuchtet heller als Plasma, das sich an der Oberfläche bereits abgekühlt hat. Die Ströme erzeugen so ein charakteristisches, sich schnell veränderndes Muster aus hellen und dunklen Bereichen, die sogenannte Granulation. Typische Strukturen darin sind einige hundert Kilometer groß. "Die Granulation ist in erster Linie für schnelle Helligkeitsschwankungen der Sonne, die sich innerhalb von weniger als fünf Stunden vollziehen, verantwortlich", erklärt Dr. Natalie Krivova vom MPS.

Zum anderen spielen die veränderlichen Magnetfelder der Sonne eine entscheidende Rolle. An der sichtbaren Oberfläche unseres Sterns machen sie sich in Zeiten hoher Sonnenaktivität durch dunkle Gebiete, sogenannte Sonnenflecken, und besonders hell leuchtende Bereiche, so genannte Fackeln, bemerkbar. Beide Strukturen sind im Vergleich zur Granulation sehr großflächig; einige Sonnenflecken lassen sich sogar mit bloßem Auge von der Erde aus erkennen. Zudem verändert sich ihre Anzahl und Gestalt deutlich langsamer. Änderungen im Magnetfeld der Sonne sind deshalb für Helligkeitsschwankungen verantwortlich, die sich auf Zeitskalen von mehr als fünf Stunden abspielen.

Die Forscher nutzten für ihre Analysen Daten der Raumsonden SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) und Solar Dynamics Observatory, die das Helligkeitsmuster und die Magnetfelder an der Oberfläche des Sterns seit Jahren aufzeichnen. Aus diesen Datensätzen, die zum Teil 19 Jahre solarer Entwicklung abdecken, konnten sie Helligkeitsschwankungen berechnen und wiederum mit gemessen Werten der Raumsonden PICARD und SOHO vergleichen. Sämtliche bisher gemessenen Helligkeitsschwankungen – sowohl schnelle, als auch sehr langfristige – lassen sich so reproduzieren.

"Die Resultate unserer Studie zeigen uns, dass wir in unserem Modell die maßgeblichen Parameter identifiziert haben," folgert Prof. Dr. Sami K. Solanki, Direktor am MPS. "Dies wird es uns erlauben, endlich auch die Helligkeitsschwankungen anderer Sterne zu modellieren."

Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Nature Astronomy erschienen ist.

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Links im WWW
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