Laborplasma mit Laser ahmt Nanoflare-Heizung der Sonnenkorona nach

Physiker in China haben im Labor einen Prozess nachgestellt, der erklären könnte, warum die äußere Atmosphäre der Sonne hundertfach heißer ist als ihre Oberfläche: Magnetfelder in einem lasererzeugten Plasma kamen zusammen und wandelten magnetische Energie in Wärme um.

Die Arbeit eines Teams, zu dem Wei Sun vom China Institute of Atomic Energy und Yongli Ping von der Beijing Normal University gehören, wurde am 20. Oktober online in Physical Review Letters veröffentlicht.

Das Rätsel der heißen Korona

Die sichtbare Oberfläche der Sonne hat etwa 5500 °C, während ihre äußere Atmosphäre, die Korona, mehr als eine Million Grad Celsius erreichen kann. Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler zu erklären, wie diese dünne Schicht so heiß bleibt. Ein Verdächtiger sind unzählige winzige Eruptionen, sogenannte Nanoflares, die zusammen die Wärme liefern könnten. Das neue Experiment testet einen möglichen Auslöser für einige von ihnen.

Die Sonne ist voller Plasma, einem Materiezustand aus geladenen Teilchen, der von Magnetfeldern durchzogen ist. Wenn entgegengesetzt gerichtete Felder aufeinandertreffen und sich neu verbinden, wird gespeicherte magnetische Energie freigesetzt und heizt die Teilchen auf. Dieser Vorgang heißt magnetische Rekonnexion.

Wie das Experiment ablief

An der Laseranlage Shenguang-II in Shanghai feuerten die Forscher vier überlappende Laserstrahlen auf ein Kunststofftarget mit fein gewellter Oberfläche. Jeder Puls dauerte eine milliardstel Sekunde und verwandelte Material des Targets in Plasma. Als sich das Plasma in die viel dünnere Umgebung ausdehnte und abbremste, wuchsen die Wellen an seiner Grenze zu Fingern und pilzförmigen Strukturen heran – ein Verhalten, das als Rayleigh-Taylor-Instabilität bekannt ist.

Das Plasma erzeugte um die Finger herum eigene Magnetfelder, und benachbarte Strukturen trugen Felder mit entgegengesetzter Richtung. Computersimulationen zeigten, dass die sich ausdehnenden Finger diese Felder zusammenschoben, sodass sie sich neu verbanden und das umgebende Plasma aufheizten.

Was die Messungen zeigten

Das Team wiederholte das Experiment mit einem flachen Kunststofftarget, das eine glattere Strömung ohne Finger lieferte. Aus der vom Plasma ausgesandten Röntgenstrahlung schätzten die Forscher die Temperatur der Elektronen ab. Mit dem gewellten Target erreichte die Spitzentemperatur der Elektronen etwa 820 000 °C; mit dem flachen Target lag sie bei rund der Hälfte. In einer getrennten Simulation, in der die Bildung von Magnetfeldern unterbunden wurde, verschwand die zusätzliche Heizung weitgehend, was die Rolle der Felder stützt.

Auf der Sonne könnten ähnliche Bedingungen dort entstehen, wo relativ kühles, dichtes Plasma durch die umgebende Atmosphäre fällt, ein Phänomen namens koronaler Regen, und so Grenzflächen schafft, an denen sich die Instabilität entwickeln kann.

Grenzen des Vergleichs

Das Laborplasma war viel dichter als bei solaren Nanoflares, und der Prozess lief auf einer viel kürzeren Zeitskala ab. Außerdem bildete der Aufbau den vollständigen Aufbau magnetischer Energie auf der Sonne nicht nach. Die Ergebnisse stützen einen Mechanismus, der zur Heizung der Korona beitragen könnte; weitere Beobachtungen und Experimente sind nötig, um zu klären, wie oft er auf der Sonne wirkt und welchen Anteil der Heizung er liefert. Mehr in unserem Wissenschaftsressort.