Inouye-Teleskop liefert erste Bilder von Kelvin-Helmholtz-Wirbeln auf der Sonnenoberfläche

Was das Teleskop auflöste

Das 4-Meter-Daniel-K.-Inouye-Sonnenteleskop steht nahe dem Gipfel des Haleakalā auf Maui. Im April 2025 richteten die Forscher es auf eine magnetisch aktive Region nahe einem Sonnenfleck. Die Bilder sind die höchstaufgelösten Aufnahmen der sichtbaren Sonnenoberfläche, die es bislang gibt. Sie zeigen Strukturen bis nahe an die theoretische Grenze des Teleskops von rund 19 Kilometern.

Die Photosphäre ist nicht glatt. Helle Konvektionszellen, sogenannte Granulen, steigen auf, kühlen ab und sinken wieder. An den Rändern der aktiven Region, wo diese Granulen auf konzentrierte Magnetfelder treffen, fand das Team Reihen kleiner Wirbel und schmale Streifen.

Die Forscher untersuchten 47 Wirbel. Der mittlere Abstand betrug 65 Kilometer, die einzelnen Strukturen maßen zwischen 25 und 170 Kilometern. Die scheinbaren horizontalen Geschwindigkeiten lagen zwischen 0,67 und 3 Kilometern pro Sekunde.

Die Formen entsprechen der Kelvin-Helmholtz-Instabilität. Sie entsteht, wenn zwei Schichten aus Fluid oder Plasma mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aneinander vorbeigleiten. Die Scherung an der Grenzfläche dreht kleine Störungen zu Spiralen. Den Effekt kennt man aus der Korona der Sonne und aus der Wechselwirkung des Sonnenwinds mit planetaren Magnetfeldern. In der sichtbaren Oberflächenschicht war er bis jetzt nicht beobachtet worden.

Michiel van Noort, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, sagte, für den Nachweis der Wirbel müssten Strukturen von etwa 20 Kilometern Größe aufgelöst werden. Das Team verglich die Leistung damit, eine Ein-Euro-Münze aus 180 Kilometern Entfernung zu sehen.

Wie das Team die Bilder prüfte

Bilder allein hätten die Frage nicht entschieden. Das Team verglich die Inouye-Daten mit magnetohydrodynamischen Simulationen. Gruppen am NSF NCAR High Altitude Observatory und am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung hatten sie mit dem Code MURaM gerechnet.

Der Abstand zwischen den Wirbeln, die Wellenlänge der Instabilität, lag sowohl in den Teleskopdaten als auch in den Modellen zwischen 50 und 65 Kilometern. Wachstumsraten und Geschwindigkeiten lagen in ähnlichen Bereichen.

„Diese Beobachtungen liefern zugleich die bislang höchstaufgelöste Bestätigung magnetohydrodynamischer Simulationen der Sonne, und die Übereinstimmung in den physikalischen Details ist beeindruckend“, sagte Matthias Rempel vom High Altitude Observatory.

„In diesem Maßstab ist das auf der Sonnenoberfläche noch nie beobachtet worden“, sagte Mitautor Friedrich Wöger, leitender Wissenschaftler am National Solar Observatory.

Warum die Wirbel wichtig sind

Die Wirbel verdrehen und verheddern die Magnetfeldlinien der Sonne. Unter Spannung stehende Felder können aufreißen und die Energie freisetzen, die Flares und koronale Massenauswürfe antreibt. Solche Eruptionen schleudern Teilchen zur Erde, die Satelliten, Stromnetze, GPS und Kommunikationssysteme stören können.

Das Ergebnis erklärt einen Mechanismus. Eine operative Vorhersage verbessert es noch nicht.

Das Team berichtet, die Strudel seien fast überall entlang magnetischer Grenzflächen aufgetreten, wo es nachsah, und nicht als vereinzelte Störungen. „Was uns wirklich überrascht hat, war, wie viele KHI-Ereignisse wir gefunden haben“, sagte David Kuridze vom National Solar Observatory gegenüber ScienceAlert. Wie viel Energie die Wirbel in das System einbringen, beziffert die Arbeit nicht.

Die Photosphäre liegt bei etwa 5.800 K. Die Korona darüber erreicht regelmäßig mehr als eine Million Grad Kelvin. Diese Kluft ist seit Jahrzehnten ein offenes Problem. Sonnenphysiker nehmen seit Langem an, dass sich Magnetfeldlinien zu Zöpfen verdrillen, instabil werden und in einem Prozess namens magnetische Rekonnexion auseinanderreißen. Dabei wird ein Energieschub frei. Offen blieb, was sie ständig verdrillt. Die beobachteten Wirbel sind ein Kandidat für die Antwort: ein stetiger Antrieb im kleinen Maßstab, der das Feld immer wieder neu verdrillt.

„Die Kelvin-Helmholtz-Instabilität ist wahrscheinlich ein Mechanismus, der zur Erwärmung der äußeren Atmosphäre beiträgt, und sie ist Teil der Lösung für das alte Rätsel, warum Sterne eine millionengrad heiße Korona haben“, sagte Thomas Rimmele, Cheftechnologe am National Solar Observatory.

Die Wirbel berühren noch ein zweites Rätsel. Der Magnetzyklus der Sonne dauert etwa 11 Jahre. Aktuelle Modelle schaffen es laut Kuridze kaum, magnetische Energie schnell genug zu verteilen, um dazu zu passen. Die Wirbel vermischen magnetisiertes und nicht magnetisiertes Plasma. Das beschleunigt die Diffusion der Magnetfelder durch die untere Atmosphäre, so das Ergebnis der Analyse.

Wie es weitergeht

Als Nächstes sollen automatisierte Programme über die Inouye-Daten laufen. Ziel ist herauszufinden, wie viel die Strudel zur Erwärmung der Sonnenatmosphäre und zur Ausbreitung ihrer Magnetfelder beitragen.

„Wir glauben, dass die Entdeckung der Kelvin-Helmholtz-Instabilität in der solaren Photosphäre, gestützt auf die Analyse numerischer Simulationen, ein großer Schritt für das Verständnis der Dynamik und Entwicklung von solar- und stellarem Plasma ist und die Grundlage für künftige Entdeckungen bilden wird“, sagte David Boboltz, stellvertretender Direktor am National Solar Observatory.

Der Datensatz hat einen Haken. Die Beobachtungen decken eine einzige aktive Region nahe einem Sonnenfleck ab. Wie sich der Prozess über den gesamten Sonnenzyklus verhält, ist nicht getestet.