Astrophysikalisches Institut Potsdam

Sonnenobservatorium
Einsteinturm


soelogo


 


Die Sonne, der Paradestern

Unsere Sonne ist ein magnetischer Stern, dessen Aktivitätsprozesse dramatische Auswirkungen auf den menschlichen Lebensraum haben können. Sie ist aber auch ein typischer Vertreter für die große Mehrheit der am Nachthimmel beobachtbaren Sterne. Der nächste Stern, Alpha-Centauri, ist vom gleichen Spektraltyp, d.h. er hat die gleiche physikalische Beschaffenheit wie die Sonne. Er ist aber 274000 mal weiter von uns entfernt, und seine Strahlung erscheint uns dadurch 75 Milliarden mal schwächer. Die Sonne ist unser ,Paradestern', an dem viele physikalische Prozesse und Strukturen wie bei keinem anderen kosmischen Objekt im Detail erforscht werden können. Ermöglicht wird dies durch die nur hier erreichbare hohe Bildauflösung. Für die Erforschung vieler Vorgänge sind eine hohe spektrale und zeitliche Auflösung aber ebenso wichtig. Zwar gibt es auch bei anderen Sternen Hinweise auf magnetisch bedingte Aktivitätserscheinungen wie Zyklen, Flecken und Eruptionen sowie das Vorhandensein von Konvektion, Oszillationen, Koronen und Sternwinden, aber nur an der Sonne sind diese Phänomene als räumliche und zeitlich aufgelöste Strukturen beobachtbar; erst dadurch können Theorien für solche Vorgänge im Detail getestet werden.

Nur in die äußeren, atmosphärischen Schichten, d.h. in die Photosphäre, Chromosphäre und Korona, kann man mit elektromagnetischen Wellen direkt ,hineinschauen'. Die darunter liegende Konvektionszone und noch tiefere Schichten des Sonneninneren können aber durch Beobachtungen von Oberflächenschwingungen indirekt sondiert werden. Die Helio-Seismologie stellt das Vorbild für eine allgemeine Astero-Seismologie und ein völlig neues, hochaktuelles Forschungsgebiet dar, an dem sich auch die Potsdamer Sonnenforscher aktiv beteiligen.


Sonnenphysik in Potsdam

Die Sonnenphysik am AIP verbindet ein starkes theoretisches Potential mit den Beobachtungsmöglichkeiten, die zwei leistungsfähige Observatorien - das Sonnenobservatorium Einstein-Turm und das Observatorium für solare Radioastronomie in Tremsdorf - als jederzeit verfügbare Hausinstrumente bieten. Dadurch werden die Daten, die wir mit höchster Bildauflösung sowohl an den international betriebenen bodengebundenen Großteleskopen an klimatisch günstigen Standorten als auch mit Satelliten gewinnen, in wirksamer Weise ergänzt - die eigenen Messungen erleichten uns auch den Zugang zu diesen Großgeräten - und die Sonne kann über alle ,Etagen' des Sonnenmantels von der Konvektionszone bis in die äußere Korona erforscht werden. Das verbindende Gerüst über diesen riesigen Höhenbereich ist das solare Magnetfeld, der Schlüsselparameter für das Verständnis aller Phänomene der Sonnenaktivität.

Im Jahre 1939 entdeckte Walter Grotrian in Potsdam, daß die Korona aus einem sehr dünnen und etwa 1 Million Kelvin heißen Plasma besteht. Wenige Jahre später begannen am Einstein-Turm regelmäßige Magnetfeld-Messungen in Sonnenflecken; es waren die ersten europäischen Messungen kosmischer Magnetfelder. Solare Eruptionen stellen gewaltige Ereignisse der Freisetzung magnetischer Energie in der inneren Korona dar, deren Häufigkeit mit dem allgemeinen Gang des ll-jährigen Sonnenflecken-Zyklus variiert. Sie bewirken intensive Ausstrahlungen vom Radio- bis in den Röntgen- und Gamma-Bereich, die Beschleunigung hochenergetischer Teilchen und den Auswurf von Plasma in den interplanetaren Raum. Diese Prozesse beeinflussen auch den Zustand des erdnahen Raumes und haben damit unter anderem Konsequenzen für die Funk-Kommunikation und die Lebensdauer von Satelliten. Die Mechanismen der Sonnenwindbeschleunigung, der Koronaheizung und der Eruptionen gelten bis heute als ungelöste, fundamentale Probleme der Astrophysik.

Der im Dezember 1995 gestartete Satellit SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) der ESA und NASA wird wesentlich dazu beitragen, in den nächsten Jahren wichtige Fortschritte in der Sonnenphysik zu erreichen. Die Sonnenphysiker des AIP nutzen die SOHO-lnstrumente für eigene Meßprogramme, beteiligen sich aber auch mit simultanen bodengebundenen Ergänzungsbeobachtungen ihrer beiden Sonnenobservatorien an der Mission. Damit werden wichtige Daten in die Programme eingebracht, die von SOHO selbst nicht geliefert werden können.


Dreidimensionale Magnetfeldstruktur

Im Sonnenobservatorium Einstein-Turm des AIP werden polarimetrische Messungen im optischen Spektralbereich durchgeführt, die in erster Linie der Erforschung der Struktur und Dynamik des Magnetfeldes in solaren aktiven Regionen dienen. Die mit einer Bildauflösung von 3 Bogensekunden (das sind etwa 2200 km auf der Sonnenoberfläche) in 2 Höhenniveaus der Photosphäre und Chromosphäre erfaßten Magnetfeldverteilungen werden mit Modellrechnungen bis in die Korona extrapoliert und mit Satellitenbeobachtungen im extremen ultravioletten Licht (EUV) und Röntgenbereich verglichen. Man erhält damit ein dreidimensionales Bild des Magnetfeldes. Derartige Strukturen stimmen gut mit den Magnetfeld-Schleifen (,Loops") überein, die im EUV und Röntgen-Licht von den Satelliten SOHO und Yohkoh aus beobachtet werden. In Europa sind die Potsdamer Vektormagnetogramme gegenwärtig die einzigen derartigen Daten, und die wenigen vergleichbaren Magnetografen in den USA, Japan und China können nicht zu den gleichen Zeiten messen, zu denen der Einstein-Turm arbeitet.

Gemeinsam mit sonnenphysikalischen Gruppen aus Freiburg, Göttingen und Würzburg beteiligen sich die Sonnenphysiker des AIP am Betrieb der deutschen Vakuum-Sonnenteleskope im spanischen Observatorio del Teide auf Teneriffa. An diesem klimatisch idealen Standort werden Meßdaten mit höchster Bildauflösung gewonnen, die zur Klärung fundamentaler astrophysikalischer Probleme unabdingbar sind; dabei werden auch Meßgeräte und Beobachtungsverfahren eingesetzt, die zuvor am Einstein-Turm entwickelt und getestet worden sind.

Als Beispiel sollen hier Untersuchungen an einem Sonnenfleck aufgeführt werden. Flecken sind optimale Laboratorien, um die Dynamik der Wechselwirkung des turbulenten Sonnenplasmas mit starken Magnetfeldern zu erforschen. Beobachtungen von Fleckenoszillationen ermöglichen z. B. eine detaillierte helioseismologische Sondierung solcher magnetischen Strukturen; hydromagnetische Wellen sind außerdem aussichtsreiche Kandidaten zur Erklärung der verstärkten Aufheizung der Korona in aktiven Gebieten.

Am Vakuum-Turm-Teleskop auf Teneriffa wurden Zeitreihen zweidimensionaler spektralpolarimetrischer Beobachtungen eines Sonnenflecks mit höchster Bildauflösung unter einer Bogensekunde gewonnen. Derartige Daten waren bisher nicht verfügbar; sie stimmen gut mit den Vorhersagen unserer theoretischen Modellrechnungen überein.

(Auszug aus dem Band "Astrophysikalisches Institut Potsdam 1995-96")



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