Dynamik solarer und stellarer Granulation

Dieses Projekt wird gemeinsam von H. Muthsam, Fakultät für Mathematik der Universität Wien, und A. Hanslmeier, Institut für Geophysik, Astronomie und Meteorologie der Universität Grraz vorgeschlagen. Diese Forscher sind in der Modellbildung bzw. der Beobachtung solarer Phänomene, insbesondere auch der Granulation tätig. Mit ihren Ansätzen wollen sie in Synergie einschlägige Phänomene erforschen. Die solare Granulation stellt die äußerste Manifestation der Sonnenkonvektion dar. Dadurch, dass sie Beobachtungen direkt zugänglich ist, unterscheidet sie sich wohltuend von so vielen anderen Erscheinungen, die, der Beobachtung unzugänglich, im Inneren von Sternen ablaufen. Sie stellt somit ein ideales Labor für stellare Strömungen dar, und demgemäß haben Beobachtungen viele Einzelheiten gezeigt. Dabei scheut man weder Mühe noch Kosten, um höchstaufgelöste Beobachtungen zu erhalten. Wir verweisen nur auf die ständige Aufrüstung der Sonnenobservatorien auf den kanarischen Inseln. - Wir haben andererseits ein Softwarepaket ANTARES für Strahlungs-Magnetohydrodynamik entwickelt, das gerade dem Aspekt höchstmöglicher Auflösung viel Aufmerksamkeit widmet. ANTARES basiert nämlich nicht nur auf hochauflösenden numerischen Methoden sondern gestattet auch, als einziges Paket in diesem Bereich, Gitterverfeinerung. Dadurch haben wir bereits Auflösungen erzielt, die beträchtlich über allen bisher publizierten Rechnungen liegen. Die Resultate bearbeiten wir mit unserem Visualisierungs- und Analysetool VIVAT. Ziel des Projektes wird sein, solches hochaufgelöstes Material zu analysieren und mit den Beobachtungen zu konfrontieren. Zusätzlich zu den bereits vorhandenen Modellen werden wir weitere Rechnungen mit noch höherer Auflösung durchführen. Dies wird unter anderem durch die Zuteilung von Rechenzeit auf europäischen Supercomputern durch DEISA ermöglicht. Auf Modellen und Beobachtungen basierend planen wir die Untersuchung von Schallwellen und von magnetohydrodynamischen Wellen, ebenso wie die Anregung von p- Moden und anderem. Solche Untersuchungen sind z.B. für ein Verständnis der Aufheizung der Sonnenkorona wichtig, jener 1 Million Grad heißen Hülle, welche die Sonne umgibt. Fernerhin werden wir auch auf Simulation und Beobachtungen durchführen, die eine lange Zeitspanne abdecken. Solche Beobachtungen zeigen z.B., dass einige Granulen (über ihre Abkömmlinge) für einige Stunden leben, ungleich vielen anderen. Wir erwarten, dass wir die Ursache für diese Verhalten in den Modellen finden können, die uns tiefer in die Sonne zu blicken gestatten. Schließlich werden wir auch mit der Modellierung von A-Sternen beginnen. Bisher ist es nicht möglich, z.B. die Spektrallinienprofile auch nur annähernd so gut wiederzugeben wie im Fall der Sonne. Und doch würde erst Übereinstimmung Vertrauen in die Modelle gewähren. Vielleicht ist mangelnde Auflösung ein Grund für die Diskrepanzen. Hier könnte unsere Strategie der Gitterverfeinerung in kritischen Regionen Früchte tragen.

Die Energie, die tief im Inneren der Sonne (oder von ähnlichen Sternen) durch Kernreaktionen freigesetzt wird, strömt im Sonneninneren in Form von Strahlung nach außen. In einer Kugelschale, die etwa das äußerste Drittel des Sonnenkörpers ausmacht, wird sie indessen durch ein riesiges konvektives Strömungssystem nach außen transportiert, ganz außen aber, in der Sonnenatmosphäre, wieder in Lichtstrahlung umgewandelt, die dann auch die Sonne verlässt. Sonnengranulation ist die äußerste und daher beobachtbare Manifestation der solaren Konvektion. Typische Längenskalen von Granulen (heißem, aufsteigenden Gas, das von kühleren Abströmungen umgeben ist) betragen 1.000 km. Granulen sind also, für Sonnenverhältnisse, recht klein. Eine Kenntnis der Granulation ist für eine genaue Beschreibung der Sonnenatmosphäre unerlässlich. Darüber hinaus bieten diese Strömungen Testmöglichkeiten für unser Verständnis alllgemeinerer astrophysikalischer Strömungen, können sie doch, wegen der Nähe der Sonne, in sonst nicht auch nur entferntest erzielbarem Detailreichtum beobachtet werden.An den Universitäten Wien und Graz arbeiten die Gruppen von H. Muthsam und A. Hanslmeier mit unterschiedlichen, einander ergänzenden Methoden an einschlägigen Problemen. Die Gruppe in Wien modelliert astrophysikalische Strömungen, hier eben Granulation, auf Hochleistungsrechnern, während die Grazer Gruppe auf Beobachtungen und ihre Interpretation hin orientiert ist. Wir haben Modelle der Sonnengranulation erstellt, die die weltweit höchste räumliche Auflösung aufweisen. Während es nun seit langem bekannt war, dass in den Abströmgebieten am Rand der Granulen Wirbelröhren (Tornados) auftreten, zeigen diese hochaufgelösten Rechnungen dort hunderte solcher Wirbelröhren, wo früher einige zu sehen waren. So kann eine Analyse des turbulenten Strömungsfeldes der Sonnenatmosphäre erfolgen. Die Größe der meisten dieser Wirbelröhren liegt übrigens deutlich unter demjenigen, was der Beobachtung zugänglich ist. Die Computermodelle sind also unverzichtbar. Andere unserer Modelle erlauben aber direkten Bezug zu den Beobachtungen. Ihre Resultate können in Software eingespeist werden, die in Graz zum Zweck automatisierter Segmentierung und Analyse erstellt wurde und die in gleicher Weise sowohl für beobachtete wie auch für am Computer simulierte Granulen eingesetzt werden kann, sodass unmittelbare Vergleichbarkeit gegeben ist. Ein weiterer Schwerpunkt war die Untersuchung der solaren magnetic bright points (MBPs). Bei den MBPs handelt es sich um beobachtbare kleinskalige konzentrierte Magnetfelder in der höheren Sonnenatmosphäre. (Die Corona ist jenes ausgedehnte Gebiet, das bei einer totalen Sonnenfinsternis rund um den Sonnenkörper gut beobachtbar ist.) Die Corona weist eine Temperatur von 1 Million Grad auf, und der Heizmechanismus ist noch immer nicht vollständig aufgeklärt. MBPs können eine Rolle spielen. Darüber hinaus stellen MBPs eine gut beobachtbare Manifestation der überaus verbreiteten Magnetfelder dar, die in solchen Bereichen der Sonnenatmosphäre auftreten, die noch vor relativ kurzer Zeit als magnetfeldfrei gegolten haben. Mit dem Ziel, den magnetohydrodynamischen Zustand der Sonnenatmosphäre zu verstehen, arbeiten eine Reihe von Forschergruppen an diesen Problemfeldern. Innerhalb des Projektes konnten einige grundlegende Parameter der MBPs und somit dieser Felder auf Basis von Satellitenbeobachtungen bestimmt werden.