60 Jahre altes Rätsel gelöst: Bessere Vorhersagen für Sonnenstürme

Forscher*innen der Magnetospheric Multiscale Mission (MMS) der NASA könnten ein 60 Jahre altes Rätsel gelöst haben. Dieses dreht sich rund um die sogenannte magnetische Wiederverbindung. Dabei handelt es sich um einen Prozess, der Sonneneruptionen auslöst.

Eine Sonneneruption könne laut der NASA binnen weniger Minuten so viel Energie freisetzen, um die gesamte Welt 20.000 Jahre mit Energie zu versorgen. Wie diese explosivste Art einer magnetischen Wiederverbindung – die sogenannte „schnelle Wiederverbindung" – erzeugt wird und warum sie mit einer konstanten Geschwindigkeit auftritt, könnte nun enthüllt worden sein.

Konstante Geschwindigkeit

„Wir verstehen endlich, was diese Art der magnetischen Wiederverbindung so schnell macht“, sagt Yi-Hsin Liu, Studienautor und Forscher am Dartmouth College. „Wir haben jetzt eine Theorie, um es vollständig zu erklären.“ Generell findet die magnetische Wiederverbindung in Plasma statt. Plasma bildet sich aus, wenn ein Gas über ausreichend Energie verfügt, um Atome zu spalten. Es entsteht ein Gemisch aus negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Ionen, die gleichzeitig existieren. Dieses flüssig-ähnliche Material ist besonders empfindlich gegenüber Magnetfeldern.

„Wir wissen seit einiger Zeit, dass eine schnelle Wiederverbindung mit einer bestimmten Rate erfolgt, die ziemlich konstant zu sein scheint“, so Barbara Giles vom Goddard Space Flight Center der NASA. Was diese Rate aber tatsächlich antreibt, war bis jetzt ein Rätsel.

Hall-Effekt beschleunigt Prozess

Die schnelle Wiederverbindung tritt speziell in kollisionsfreien Plasmen auf. Dabei sind die Partikel so weit voneinander entfernt, dass sie nicht zusammenstoßen. Dort, wo eine Wiederverbindung im Weltraum stattfindet, befindet sich das Plasma primär in solch einem kollisionsfreien Zustand. Das betrifft etwa auch das Plasma in Sonneneruptionen.

Dieser Prozess dürfte durch den sogenannten Hall-Effekt beschleunigt werden. Der Hall-Effekt komme laut der NASA unter anderem auch für Raddrehzahlsensoren von Fahrzeugen oder für Sensoren von 3D-Druckern zum Einsatz. Sie messen unter anderem Geschwindigkeit, Distanz oder elektrische Strömung. 

Bei der schnellen Wiederverbindung auf der Sonne bewegen sich Elektronen und Ionen getrennt voneinander und nicht gruppiert. Dadurch wird ein instabiles Energievakuum kreiert. Dieser Vorgang ist der Hall-Effekt.

Durch den Druck der Magnetfelder rund um dieses Vakuum, implodiert es. Dabei wird die magnetische Energie in Hitze und kinetische Energie umgewandelt und freigesetzt, mit einer vorhersehbaren Geschwindigkeit. Diese freigesetzte Energie registrieren wir auf der Erde als Sonneneruption. Des Rätsels Lösung ist also der Hall-Effekt, der die gewaltigen Eruptionen auf der Sonne möglich macht.

Theorie soll getestet werden

Mit dem Verständnis darüber, wie die magnetische Wiederverbindung funktioniert, könne man den Forscher*innen zufolge Ereignisse wie Sonneneruptionen und damit auch Sonnenstürme besser prognostizieren. „Und wenn wir verstehen können, wie die Wiederverbindung initiiert wird, wird dass auch der Energieforschung helfen, weil Forscher Magnetfelder in Fusionsreaktoren besser kontrollieren könnten“, so Giles. 

Die Theorie soll in den kommenden Jahren getestet werden. Die Studie wurde in Nature veröffentlicht.