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News aus dem Institut: Was macht eigentlich eine Sonnenphysikerin genau? Ich habe Marina Battaglia über die Schultern geschaut. Dabei bin ich auf erstaunliche Dinge und an die Grenzen meiner Physik-Kenntnisse gestossen. Spannend war es.
Frau Battaglia, man weiss, dass die Korona der Sonne viel heisser ist als die Sonnenoberfläche. Das ist eigenartig. Bei einem Feuer ist es ja genau umgekehrt. Je weiter man sich davon entfernt, desto kühler wird es. Was ist hier los?
Marina Battaglia: Das stimmt. Die Sonnenoberfläche ist schon etwa 6000 Grad heiss. Ihre äussere Atmosphäre, die sogenannte Korona, ist dagegen mehrere Millionen Grad heiss. Warum das so ist, ist eine der grossen Fragen der Sonnenphysik, auch als “coronal heating problem” bekannt.
Natürlich können wir diese Temperaturen nicht direkt messen, aber wir können sehr viel lernen von der Strahlung der Sonne.
Die Sonne strahlt nicht nur in sichtbarem Licht sondern auch in Radiowellen, Infrarot, UV-Strahlung und Röntgenstrahlung. Für jeden Bereich braucht es spezielle Beobachtungsinstrumente.
Das Bild oben ist eine Übersicht der Sonne in verschiedenen Wellenlängen, welche vom NASA-Satelliten Solar Dynamic Observatory (SDO) beobachtet werden. In der Astronomie wird die Wellenlänge in Ångström (Å) angegeben. Jede Wellenlänge entspricht einer Temperatur.
Erstaunlich, ich hätte gedacht, dass die Temperatur zunehmen würde, je kleiner die Wellenlänge, also je grösser die Energie ist. Auf dem Bild sehe ich, dass das überhaupt nicht so ist. Über die oben abgebildeten Wellenlängen wird es mal heisser, mal kühler, dann wieder heisser. Das scheint ziemlich kompliziert zu sein.
M. B.: Das ist so. Selbst mit all diesen Bildern können wir die Frage, warum die Korona heisser ist als die Sonnenoberfläche, nicht einfach so beantworten.
Wir können an einem kleinen Puzzleteil im Detail arbeiten und dann hoffentlich irgendwann alles zu einem grösseren Bild zusammenfügen.
Eine Frage, die einem solchen Puzzleteil entspricht, könnte z.B. lauten: “Wie sieht die Temperaturverteilung in der Sonnenatmosphäre während eines Solaren Flares aus und wie viel heisses Gas ist vorhanden?“
Solare Flares sind gewaltige Explosionen in der Korona, wodurch diese geheizt wird. Die Aufgabe der Wissenschaftlerinnen ist es nun, über die einfache Betrachtung von Bildern hinauszugehen und konkrete Werte zu erarbeiten.
Hier ist ein kombiniertes Beispiel eines solchen Flares, der sowohl mit dem Satelliten Solar Dynamic Observatory (SDO), als auch dem Röntgensatelliten RHESSI beobachtet wurde. Die roten und blauen Konturen zeigen die Positionen, wo RHESSI Röntgenstrahlung beobachtet hat. Man sieht im mittleren Bild, wie das sehr schön mit einer der „heissen“ Wellenlängen von SDO übereinstimmt.
Mit RHESSI-Daten können wir nun die genaue Temperatur errechnen. Das Bild unten zeigt ein sogenanntes Spektrum – die Intensität der Strahlung als Funktion der Energie – welches mit RHESSI gemessen wurde. Die grüne Kurve enthält Information über die Temperatur (T) und die Menge (EM) an heissem Gas innerhalb der roten Quelle im vorherigen Bild.
Da komme ich als Laie an meine Grenzen. Wie sieht das Ergebnis Ihrer Analyse schlussendlich aus und was machen Sie damit?
M.B.: Das Ergebnis kann ganz unterschiedlich aussehen. Im obigen Fall könnte das eine Graphik sein bei der die Dichte, also die Menge an heissem Gas, als Funktion der Höhe über der Sonnenoberfläche aufgezeichnet ist.
Dann kann man sich fragen, stimmt das überein mit Theorien über die Verteilung von heissem Gas in solaren Flares? Wenn nicht, warum nicht? Die Resultate werden dann aufgeschrieben und in Fachjournalen veröffentlicht.
Hier ein Beispiel einer solchen Graphik aus einer kürzlichen Publikation.
Eine solche Analyse ist sehr komplex. Man muss nicht nur verschiedene Aspekte der Physik verstehen, sondern auch die Beobachtungsinstrumente genau kennen. Darum arbeitet man eigentlich immer zusammen mit anderen Wissenschaftlern aus der eigenen Forschungsgruppe, aber auch international. Dadurch kann man das Wissen und die Expertise verschiedener Leute kombinieren.
M. B.: Um ein vollständiges Bild davon zu erhalten, was auf der Sonne passiert, brauchen wir einerseits Beobachtungen in verschiedenen Wellenlängen wie im Beispiel oben. Aber das reicht nicht. Wir brauchen zudem direkte Messungen von beschleunigten Teilchen. Geladene Teilchen, die von der Sonne weg beschleunigt werden, werden auf dem Weg zur Erde von Ihrer Bahn abgelenkt. Weil Solar Orbiter so nahe zur Sonne fliegt, können wir die Verteilung der Teilchen messen, bevor sie zu stark verändert wurde.
Mit Solar Orbiter haben wir die Möglichkeit, solche kombinierten Beobachtungen vom selben Satelliten aus zu machen, was die Datenanalyse vereinfachen wird. Das Röntgenteleskop STIX wird dabei das Bindeglied sein zwischen Instrumenten, die z.B. Bilder in Ultarviolett machen und den Instrumenten, die die geladenen Teilchen direkt messen.
Was bedeutet Solar Orbiter für Sie persönlich?
M. B.: Ich wollte schon als Kind Astronomin werden. In der Sonnenforschung bin ich dann durch meine Diplomarbeit an der ETH gelandet. Diese hat mir viel Spass gemacht, und in der Folge habe ich auf demselben Gebiet doktoriert. Andererseits bin ich auch sehr verbunden mit den Schweizer Bergen, und obwohl ich meinen mehrjährigen Forschungsaufenthalt in Schottland sehr genossen habe, möchte ich doch längerfristig in der Schweiz leben. Solar Orbiter wird uns wahrscheinlich unerwartete neue Beobachtungen liefern und neben einigen Antworten auch viele interessante neue Fragen aufwerfen. Darüber hinaus ist STIX aber auch eine grosse Chance, die lange Tradition der Sonnenphysik in der Schweiz fortzuführen und gibt mir persönlich die Möglichkeit, meinen Traumjob in meiner Heimat auszuüben, was in der Forschung leider allzu selten vorkommt.
Vielen Dank, Frau Battaglia, für das Interview und das Bildmaterial!
Wenn Sie mehr darüber wissen wollen, wie die Sonne erforscht wird, sind Sie herzlich eingeladen, die Kommentarfunktion zu benutzen oder sich direkt an Marina Battaglia zu wenden.
Solar Orbiter 1: Forschungsmission zur Sonne
Solar Orbiter 2: Big Science an der FHNW
Solar Orbiter 3: Bauen für den Weltraum
Solar Orbiter 5: Ohne Software läuft gar nichts
Bilder: Kiepenheuer Institut für Sonnenphysik, NASA/SDO, Marina Battaglia
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Marina Battaglia
Dr. Marina Battaglia ist Sonnenphysikerin am Institut für 4D-Technologien an der Hochschule für Technik in Windisch. Neben ihrer Forschungstätigkeit berät sie als Mitglied des STIX-Teams das Softwareteam in wissenschaftlichen Fragen. Sie studierte und doktorierte an der ETH Zürich. Danach forschte sie als Honorary Research Fellow an der School of Physics and Astronomy der University of Glasgow, bevor sie 2012 in die Schweiz zurück kehrte.