Sonneneruptionen: Rekonnexion, Aufheizung und Teilchenbeschleunigung

Strahlungsausbrüche und koronale Massenauswürfe von der Sonne, sogenannte Sonneneruptionen, sind die energiereichsten Phänomene in unserem Sonnensystem. Die erhöhte Strahlung, die hochenergetischen Teilchen und das Magnetfeld, das sie transportieren, sind die Hauptquelle für Störungen des Weltraumwetters in Erdnähe. Gegenwärtige Theorien gehen davon aus, dass diese energetischen Ausbrüche durch Magnetfeldverschmelzung (Rekonnexion) ausgelöst werden. Allerdings ist nicht hinreichend verstanden, wie der Prozess der Magnetfeldverschmelzung in Sonneneruptionen ausgelöst wird und wie die magnetische Energie ursprünglich freigesetzt und in andere Formen von Energie umgewandelt wird. Die frühe Entwicklungsphase von Sonneneruptionen beinhaltet wichtige Informationen zur Energiefreisetzung und kann mit neuen Satellitenmissionen in bisher nicht erreichtem Detail untersucht werden. Der NASA-Satellit Solar Dynamics Observatory (SDO), der 2010 gestartet wurde, trägt drei wissenschaftliche Instrumente, die einzigartige Beobachtungen des Magnetfeldes der Sonne und der dynamischen Sonnenatmosphäre über einen Temperaturbereich von mehreren Tausend bis zehn Millionen Grad liefern. Zugleich bietet die NASA Mission Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager (RHESSI) Abbildungen und Spektren der Sonne bei Röntgenwellenlängen, die es uns ermöglichen, die Teilchenbeschleunigung und die Aufheizung des solaren Plasmas in Sonneneruptionen zu studieren. Das vorliegende Projekt widmet sich den folgenden Fragestellungen, die für ein besseres Verständnis von Sonneneruptionen von fundamentaler Bedeutung sind: (1) In welcher Form wird die Energie in Sonneneruptionen ursprünglich freigesetzt (Teilchenbeschleunigung vs. Aufheizung des Plasma). 2) Wodurch wird die magnetische Rekonnexion ausgelöst? (3) Wie hängen die im Strahlungsausbruch freigesetzte Energie und die Dynamik des assoziierten koronalen Massenauswurfs zusammen?

Flares und koronale Massenauswürfe von der Sonne sind die energiereichsten Ausbrüche in unserem Sonnensystem. Die erhöhte Strahlung, die hochenergetischen Teilchen und das Magnetfeld in diesen Ausbrüchen sind die Hauptursachen für Störungen unseres Weltraumwetters. Magnetfeldverschmelzung ist der fundamentale Prozess, der diesen Ausbrüchen zugrunde liegt. Das wesentliche Ziel des Projektes war es, systematische Studien zur frühen Flare-Phase durchzuführen, um ein besseres Verständnis zu erlangen, wie die Magnetfeldverschmelzung in Flares ausgelöst wird, wie die freigesetzte Energie sich auf unterschiedlichen Energieformen verteilt, und wie diese Prozesse mit den koronalen Massenauswürfen in Beziehung stehen. Die wichtigsten Resultate: - Wir geben die erste systematische Charakterisierung der Eigenschaften und Unterschiede für Flares mit/ohne koronalem Massenauswurf, unter Heranziehung alles wesentlicher Faktoren: die Eigenschaften der Quellregion des Flares, die Flare- Position innerhalb der Aktiven Region und die Entwicklung der Flare-Bänder. - Wir geben eine Abschätzung des energiereichsten Flares, den die gegenwärtige Sonne produzieren kann. Dieser ist von der Größe GOES X100, d.h. etwa einen Faktor 3 stärker als die größten Flares, die in der Satelliten-Ära bisher aufgezeichnet wurden, liegt aber am unteren Ende der Superflares, die vor kurzem auf sonnenähnlichen Sternen entdeckt wurden. - Es konnte erstmals in Beobachtungsdaten gezeigt werden, wie die kleinskaligen physikalischen Prozesse zu den großräumigen Massenauswürfen führen. Eine Vielzahl an kleinen magnetischen Flussröhren von einigen Tausend Kilometern Durchmesser löst sich nacheinander durch Magnetfeldverschmelzung ab, wodurch zunehmend großräumigere Strukturen entstehen und die magnetischen Flussröhren Ausmaße von mehreren Millionen Kilometern erreichen. - Unsere Studien stellen die traditionelle Interpretation der dreiteiligen Struktur von koronalen Massenauswürfen in Frage, die den hellen Kern als aufbrechende Protuberanz identifiziert. Wir haben gezeigt, dass in einigen Ausbrüchen der Kern eine Manifestation des magnetischen Flusses und zugehörigen Plasmas ist, das durch Magnetfeldverschmelzung der aufsteigenden Flussröhre zugeführt wird und sie beschleunigt. - Wir haben eine Methode entwickelt, mit der die thermische und nicht-thermische Flare-Strahlung besser in den Beobachtungsdaten unterschieden werden können. Dies ist von zentraler Bedeutung für Studien zur Teilchenbeschleunigung in Flares.