Wie hat das NJIT den magnetischen Motor der Sonne aufgespürt?

Wie haben Physiker des NJIT den magnetischen Motor der Sonne mithilfe von Daten über Sonnenschwingungen aufgespürt?

Physiker des NJIT haben den magnetischen Motor der Sonne aufgespürt, indem sie fast 30 Jahre an Daten über Sonnenschwingungen der NASA-Instrumente MDI und HMI sowie des bodengebundenen GONG-Netzwerks analysierten. Durch den Einsatz helioseismischer Techniken zur Messung von Schallwellen aus turbulentem Plasma identifizierten sie Rotationsbänder und lokalisierten den Solardynamo etwa 200.000 Kilometer unter der Oberfläche innerhalb der Tachokline.

Helioseismologie funktioniert ähnlich wie die terrestrische Seismologie, bei der Wissenschaftler Schallwellen nutzen, um das Innere eines Himmelskörpers zu kartieren. Für diese Studie verknüpfte der Hauptautor Krishnendu Mandal, ein Forschungsprofessor für Physik am New Jersey Institute of Technology (NJIT), Beobachtungen des Michelson Doppler Imager (MDI), des Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) und der Global Oscillation Network Group (GONG). Diese Instrumente haben die internen Vibrationen der Sonne seit Mitte der 1990er Jahre alle 45 bis 60 Sekunden aufgezeichnet und so einen massiven Datensatz aus Milliarden von Einzelmessungen geliefert.

Daten über Sonnenschwingungen enthüllen, wie heißes Plasma tief im Inneren des Sterns rotiert und wallt. Durch die Analyse von Verschiebungen in den Laufzeiten akustischer Wellen identifizierten die Forscher deutliche Bänder schnellerer und langsamerer Rotation. Diese internen Strömungsmuster bilden eine schmetterlingsförmige Wanderung, die die Bewegung der auf der Oberfläche beobachteten Sonnenflecken widerspiegelt. Diese Korrelation ermöglichte es dem Team, den Solardynamo – den eigentlichen Maschinenraum des Magnetismus des Sterns – in einer Tiefe zu lokalisieren, die dem Hintereinanderschichten von 16 Erden entspricht.

Warum ist die Entdeckung des magnetischen Motors der Sonne wichtig für die Vorhersage des Weltraumwetters?

Diese Entdeckung ist von entscheidender Bedeutung, da sie bestätigt, dass der Solardynamo in der Tachokline operiert, was genauere Weltraumwettermodelle ermöglicht. Durch die Identifizierung der spezifischen Tiefe des magnetischen Motors der Sonne können Forscher die Vorhersagen für Sonneneruptionen und koronale Massenauswürfe (CMEs) verbessern, die die Satellitenkommunikation, die GPS-Navigation und die Stromnetze der Erde bedrohen.

Die Vorhersage des Weltraumwetters stützt sich derzeit auf Simulationen, die oft oberflächennahe magnetische Prozesse priorisieren. Die am 12. Januar 2026 in Nature Scientific Reports veröffentlichten Ergebnisse des NJIT legen jedoch nahe, dass die gesamte Konvektionszone – und insbesondere die Tachokline – in diese Modelle integriert werden muss, um Präzision zu erreichen. Das Verständnis des Ursprungs des Sonnenzyklus ermöglicht es Wissenschaftlern, die Intensität eruptiver Ereignisse vorherzusehen, bevor sie als sichtbare Sonnenflecken auf der Photosphäre erscheinen.

Magnetische Aktivität, die tief im Inneren des Sterns entsteht, kann mehrere Jahre benötigen, um an die Oberfläche zu gelangen. Durch die frühzeitige Verfolgung dieser internen Veränderungen hoffen Physiker, die „Vorlaufzeit“ für Weltraumwetterwarnungen zu verlängern. Mit Stand vom 18. März 2026 bleibt die aktuelle Sonnenaktivität ruhig, wobei die Aurora-Sichtbarkeit auf arktische Regionen wie Tromsø, Norwegen (Breitengrad 69,6), begrenzt ist. Die Fähigkeit vorherzusagen, wann der Kp-Index ansteigen könnte, wird jedoch stark von diesen neuen Modellen des Inneren abhängen.

Was verursacht laut der neuen Forschung Sonneneruptionen?

Der Forschung zufolge werden Sonneneruptionen durch magnetische Fluktuationen angetrieben, die vom Solardynamo in 200.000 Kilometern Tiefe erzeugt werden. Diese Eruptionen treten auf, wenn Scherströmungen an der Tachokline intensive Magnetfelder organisieren, die schließlich an die Oberfläche steigen, Sonnenflecken erzeugen und die explosive Freisetzung von Energie auslösen, die als Sonneneruptionen bekannt ist.

Die Organisation des Magnetfelds findet an der Grenze zwischen der Strahlungszone und der Konvektionszone statt. Diese dünne Übergangsschicht, die Tachokline, weist abrupte Änderungen der Rotationsgeschwindigkeiten auf. Diese Kräfte der differenziellen Rotation dehnen und verdrehen die Magnetfeldlinien und bauen eine immense Spannung auf. Wenn diese Felder schließlich die Oberfläche durchbrechen, manifestieren sie sich als Sonnenflecken – die dunklen, kühleren Regionen, die als Startrampen für Sonneneruptionen dienen.

Krishnendu Mandal merkte an, dass Sonnenflecken lediglich die „sichtbaren Fußabdrücke“ eines viel größeren, tiefer liegenden Systems sind. Während frühere Theorien darüber debattierten, ob der Solardynamo ein oberflächennahes oder ein tiefsitzendes Phänomen sei, liefert diese Studie die bislang klarsten Beobachtungsbelege dafür, dass der Motor an der Basis der Konvektionszone sitzt. Dieser Befund hilft dabei, den 11-jährigen Sonnenzyklus zu erklären und warum die magnetische Aktivität im Laufe der Zeit in Richtung Äquator wandert.

Der Sonne zuhören: Die Rolle der Helioseismologie

Helioseismologie hat sich als das primäre Werkzeug herausgestellt, um durch die undurchsichtigen äußeren Schichten der Sonne zu blicken. Da Licht das Innere nicht verlassen kann, ohne gestreut zu werden, müssen Physiker auf akustische Wellen vertrauen, die durch turbulentes Plasma erzeugt werden. Diese Wellen prallen im Inneren des Sterns umher, und ihre Frequenzen werden durch die Temperatur und die Bewegung des Materials, das sie durchqueren, subtil verändert. Indem sie diesen Schwingungen „zuhörten“, rekonstruierte das NJIT-Team eine 3D-Karte der verborgenen Dynamik des Sterns.

• Langlebigkeit der Daten: Das Team nutzte fast 30 Jahre kontinuierlicher Daten, was fast drei vollständige 11-jährige Sonnenzyklen abdeckt.
• Synergie der Instrumente: Die Kombination von SOHO (NASA/ESA) und SDO (NASA) Satellitendaten mit dem bodengebundenen GONG-Netzwerk reduzierte das Beobachtungsrauschen.
• Mustererkennung: Die Forscher identifizierten zonale Strömungen – unterirdische „Flüsse“ aus Plasma –, die dem Schmetterlingsdiagramm des Auftretens von Sonnenflecken entsprechen.

Die 200.000-Kilometer-Entdeckung: Kartierung der Tachokline

Die Tachokline stellt ein kritisches anatomisches Merkmal der Sonne dar, das sich etwa 200.000 Kilometer unter der Oberfläche befindet. Diese Region ist eine dünne Grenzschicht, in der die Starrkörperrotation der inneren Strahlungszone auf die flüssigkeitsähnliche, differenzielle Rotation der Konvektionszone trifft. Die hier erzeugten Scherkräfte sind stark genug, um Magnetfelder auf atemberaubende Intensitäten zu verstärken. Den magnetischen Motor in dieser spezifischen Tiefe zu finden, löst eine langjährige Debatte in der Heliophysik darüber, wo das Magnetfeld des Sterns verstärkt und gespeichert wird.

Alexander Kosovichev, Co-Autor der Studie und Distinguished Professor am NJIT, leitete die Analyse am NJIT’s Center for Computational Heliophysics. Die Arbeit des Teams zeigt, dass die magnetischen Strukturveränderungen nahe der Tachokline der Oberflächenaktivität um Jahre vorausgehen. Dies deutet darauf hin, dass der Sonnenzyklus nicht nur ein Oberflächenphänomen ist, sondern ein „Ganzstern-Prozess“, der im tiefen Inneren beginnt. Diese Tiefe – etwa 16 Erden tief – verdeutlicht das Ausmaß der Kräfte, die am Antrieb des Solardynamo beteiligt sind.

Auswirkungen auf die Sternphysik und die galaktische Forschung

Stellarer Magnetismus ist ein universelles Phänomen, und die Sonne dient als primäres Labor, um Sterne in der gesamten Galaxie zu verstehen. Viele Sterne weisen magnetische Zyklen ähnlich wie unsere eigene Sonne auf, sind jedoch für hochauflösende helioseismische Analysen zu weit entfernt. Durch die Perfektionierung des Modells des Solardynamo können Physiker diese „Regeln“ auf andere Sternensysteme anwenden und so helfen, die Bewohnbarkeit von Exoplaneten zu bestimmen, die möglicherweise noch heftigeren stellaren Eruptionen ausgesetzt sind als jenen der Sonne.

Expertise-Signale aus der Studie deuten auf eine hohe Relevanz für das Fachgebiet hin, da sie vom NASA DRIVE Science Center unterstützt wurde, einer angesehenen Kooperation von 13 US-Universitäten. Die Forschung mit dem Titel „Helioseismic evidence that the solar dynamo originates near the tachocline“ (DOI: 10.1038/s41598-025-34336-1) bietet einen grundlegenden Rahmen für die nächste Generation von Sonnenmissionen. Das Verständnis des magnetischen Motors ist ein entscheidender Schritt, um die moderne Zivilisation vor der unvorhersehbaren Natur unseres nächsten Sterns zu schützen.

Zukünftige Richtungen: Verfeinerung der Sonnenvorhersagen

Zukünftige Forschung wird sich darauf konzentrieren, diesen 200.000-Kilometer-Benchmark zu nutzen, um numerische Simulationen des Sonnenzyklus zu verfeinern. Obwohl die aktuellen Ergebnisse noch keine täglichen Wettervorhersagen auf der Sonne zulassen, liefern sie die notwendigen Koordinaten, wo man suchen muss. Das NJIT-Team plant, den aktuellen Sonnenzyklus weiter zu beobachten, um zu sehen, ob die internen Strömungsmuster die spezifische Intensität des nächsten Sonnenmaximums vorhersagen können.

Fortschrittliche Beobachtungen zukünftiger NASA-Missionen und verbesserte bodengebundene Teleskope werden wahrscheinlich auf diesem 30-jährigen Datensatz aufbauen. Da Wissenschaftler besser verstehen, wie sich die Tachokline im Laufe der Zeit entwickelt, wird das Ziel, eine „Wetterkarte“ für das Innere der Sonne zu erstellen, immer realistischer. Vorerst steht die Entdeckung als Meilenstein in der Heliophysik und lokalisiert endlich den verborgenen Motor, der den Sonnenzyklus seit Milliarden von Jahren antreibt.