Der „Flamme“ des Sternenhimmels begegnen: Dem Geheimnis der Sonne auf der Spur

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Yun Chaoang, Shen Jinhua (Astronomisches Observatorium Xinjiang, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um das Geheimnis der wissenschaftlichen und technologischen Arbeit zu lüften, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Ich und meine Forschung“ gestartet und Wissenschaftler dazu eingeladen, eigene Artikel zu schreiben, ihre wissenschaftlichen Forschungserfahrungen zu teilen und eine wissenschaftliche Welt zu schaffen. Folgen wir den Entdeckern an der Spitze von Wissenschaft und Technologie und begeben wir uns auf eine Reise voller Leidenschaft, Herausforderungen und Überraschungen.

Im Mai 2024 führte eine Fernsehserie über Altay die Online-Einschaltquotenliste an. Die Schönheit von Altay im Stück ist natürlich. Unter der Kamera sind die Berge, der Dschungel, der Himmel und die Wildnis alle einzigartig. Als eine der „Postkarten“ der wunderschönen Landschaft Xinjiangs ist auch der Sternenhimmel von Altay einzigartig und bezaubernd und die aufeinanderfolgenden „Aurora“-Feste sind unbeschreiblich schön.

Dies ist die Aurora, die im Kreis Fuyun, Präfektur Altay, Xinjiang fotografiert wurde

(Fotoquelle: Nachrichtenagentur Xinhua, Dai Jianfeng)

Fotografiert von Dai Jianfeng im Altay, Xinjiang

(Fotoquelle: Nachrichtenagentur Xinhua)

Wunderschöner Sternenhimmel "Flamme" - Aurora

Das Polarlicht ist ein Naturphänomen, das mit bloßem Auge auf der Erde sichtbar ist und durch die Wechselwirkung zwischen dem Plasma des Sonnenwinds und der Magnetosphäre der Erde verursacht wird.

Das Auftreten von Polarlichtern hängt mit Sonneneruptionen zusammen. Dabei handelt es sich um aktive Phänomene, bei denen sich lokale Bereiche der Sonnenatmosphäre plötzlich erhellen. Die Sonne selbst ist eine riesige „magnetische Kugel“. Flares treten häufig in aktiven Bereichen mit komplexen Magnetfeldstrukturen auf. In Flare-aktiven Bereichen werden die magnetischen Kraftlinien „verdreht“, da sich die magnetische Energie in den aktiven Bereichen weiter ansammelt. Diese verdrehten magnetischen Kraftlinien sind wie gespannte Gummibänder. Sobald die verdrehten magnetischen Kraftlinien durch die Wiederverbindung unterbrochen werden, wird innerhalb kurzer Zeit eine große Menge Energie freigesetzt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Plasma in der Koronaatmosphäre schnell erhitzt und beschleunigt, begleitet von verstärkter elektromagnetischer Strahlung und Partikelemission in verschiedenen Bändern. Dieses intensive explosive Phänomen wird als Flare bezeichnet.

Bei einer Sonneneruption wird häufig eine große Menge Koronaplasma in den Raum zwischen Sonne und Erde ausgestoßen, was als „koronaler Massenauswurf“ bezeichnet wird. Die Sonne stößt kontinuierlich Materie von ihrer Oberfläche in den umgebenden Raum aus. Auf dem Höhepunkt des Sonnenaktivitätszyklus können täglich 2–3 koronale Massenauswürfe (CMEs) auftreten. Diese Plasmamaterialien bewegen sich mit Geschwindigkeiten von mehreren Hundert bis Tausend Kilometern pro Sekunde. Das der Erde zugewandte Plasma wird Störungen in der Größe und Richtung des Erdmagnetfelds verursachen und dadurch „geomagnetische Stürme“ und andere extreme Weltraumwetterereignisse hervorrufen. Das Polarlicht ist eine sichtbare Manifestation geomagnetischer Stürme.

Während eines magnetischen Sturms steigt die Zahl der in die Polarregionen eingebrachten Partikel nach der Wechselwirkung zwischen Plasma und Magnetosphäre erheblich an. Auch der Breitengrad, in dem sie in das Erdmagnetfeld gelangen, erweitert sich, sodass Polarlichter auch an Orten wie Xinjiang, die in den mittleren und hohen Breitengraden der Erde liegen, zu sehen sind.

Sonneneruptionen

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Das Xinjiang Astronomical Observatory der Chinesischen Akademie der Wissenschaften ist das einzige umfassende Observatorium im Nordwesten Chinas. Da das Polarlicht in der Öffentlichkeit große Aufmerksamkeit erregt hat, sind die Mitglieder der Solargruppe des Astronomischen Observatoriums Xinjiang vor Kurzem ihrer Verantwortung als Wissenschaftler nachgekommen und sehr bereit, relevante wissenschaftliche Erkenntnisse mit der Öffentlichkeit zu teilen. Tatsächlich hat die Sonnenaktivität einen Zyklus von etwa 11 Jahren. Der Zeitraum mit der größten Sonnenaktivität wird als „Maximum“ bezeichnet, der Zeitraum mit der geringsten Aktivität als „Minimum“. Während der maximalen Periode nimmt die Anzahl der Sonnenflecken zu und auch die Häufigkeit von Sonneneruptionen nimmt zu. Umgekehrt nehmen während der Minimumperiode sowohl die Anzahl der Sonnenflecken als auch die Häufigkeit von Sonneneruptionen ab.

Die maximale Sonnenaktivität war in den Jahren 2013–2014 zu verzeichnen und es wird erwartet, dass die Sonnenaktivität in den Jahren 2024–2025 ihre 25. maximale Periode erreichen wird. Das Jahr 2024 befindet sich in der Anstiegsphase der Maximalperiode und Sonneneruptionen kommen sehr häufig vor. Das Bild unten zeigt Dutzende extremer Flare-Ereignisse im Mai 2024, die geomagnetische Stürme auslösten und farbenprächtige Polarlichter in Xinjiang, Peking und anderen Orten bildeten. Die Energieniveaus von Sonneneruptionsexplosionen werden in fünf Stufen von klein bis groß unterteilt: A, B, C, M und X, und die Stufen nehmen der Reihe nach zu.

Die Lebensdauer der meisten Sonneneruptionen beträgt nur wenige Minuten bis einige zehn Minuten und geht mit einer großen Energiefreisetzung in kurzer Zeit einher. Beispielsweise entspricht die Energie, die bei einer Flare der Stufe XX1 sofort freigesetzt wird, der Gesamtenergie, die das gleiche Empfängergebiet auf der Erde über mehr als 1.000 Jahre hinweg empfangen hat.

Beobachtungsergebnisse der Sonneneruptionsenergie während eines Teils des Monats Mai dieses Jahres

(Bildquelle: Space Environment Forecast)

Kennen Sie sich selbst und Ihren Feind, um Ärger zu vermeiden

Geomagnetische Stürme können weltweit Kommunikationsprobleme, Stromausfälle und Satellitenausfälle verursachen. Das bekannteste davon ist das Carrington-Ereignis. Am Morgen des 1. September 1859 beobachtete der britische Astronomie-Enthusiast Carrington Sonnenflecken, als er entdeckte, dass plötzlich zwei extrem helle weiße Lichter in einer großen Sonnenfleckengruppe auf der Nordseite der Sonne auftauchten und sich in der Nähe der großen Sonnenfleckengruppe ein Paar heller, halbmondförmiger Objekte bildete. Später wurde bestätigt, dass es sich bei dem von Carrington beobachteten Phänomen um den Prozess einer Sonneneruptionsexplosion handelte, und dieses Ereignis wurde als Carrington-Ereignis bezeichnet.

Siebzehneinhalb Stunden nach dem Ausbruch des Flares sprang der Zeiger des Magnetometers aufgrund des extrem starken Magnetfelds aus der Skala. Fast gleichzeitig berichteten Bediener von Telegrafenmaschinen in Telegrafenämtern auf der ganzen Welt, dass ihre Maschinen Funken sprühten und sogar die Drähte geschmolzen waren. In dieser Nacht breitete sich das farbenprächtige Nordlicht am Himmel südwärts bis nach Kuba, Hawaii und an andere Orte aus.

Nordlicht

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Das Carrington-Ereignis war eine extrem starke Explosion der Sonnenaktivität. Ähnliche superstarke Ereignisse hat es in der Geschichte schon oft gegeben. So führte beispielsweise der Sonnensturm im März 1989 zum Ausfall des gesamten Verteilungsnetzes im kanadischen Quebec. Der extrem starke Sonnensturm am 30. Oktober 2003 verursachte Fehlfunktionen bei zwei Satelliten, was zu Kommunikations- und Stromausfällen auf der ganzen Welt führte.

Auf dieser Grundlage sind Wissenschaftler davon überzeugt, dass die Untersuchung von Sonnenaktivitätsausbrüchen einerseits ein Kernthema der Grundlagenforschung in der Sonnenphysik und andererseits ein natürliches Labor für die Untersuchung anderer Sterne und der Plasmaphysik darstellt und so bei der zukünftigen Erforschung von Fragen der Koronaheizung hilfreich sein kann. Andererseits kann es die Sonnenaktivität vorhersagen und eine wirksame Frühwarnung vor katastrophalen Weltraumwetterereignissen liefern.

Konzeptbild der Sonnenoberfläche und Sonneneruptionen

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Wir haben etwas zur Solarforschung zu sagen

Seit den 1980er Jahren hat das Xinjiang Astronomical Observatory der Chinesischen Akademie der Wissenschaften am Nanshan-Observatorium Geräte wie Sonnenchromosphären-Teleskope, photosphärische binokulare Teleskope und Sonnenradioteleskope gebaut, um damit vor allem die physikalischen Mechanismen von Sonneneruptionen zu erforschen und Prognosen über die Sonnenaktivität zu erstellen.

Blick auf das Nanshan-Observatorium

(Bildquelle: Xinjiang Astronomical Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Nach jahrelanger Entwicklung wurde die Forschungsgruppe für Sonnenphysik des Xinjiang Astronomical Observatory im Jahr 2018 offiziell gegründet. Nach ihrer Gründung konzentrierte sich die Gruppe auf die Arbeit des wissenschaftlichen Forschungszentrums des Xinjiang Astronomical Observatory mit dem Ziel, die Führungsposition in Wissenschaft und Technologie zu erobern, und erzielte eine Reihe von Forschungsergebnissen:

Zunächst wurde die dynamische Entwicklung von Flare-Ringen und koronalen magnetischen Schleifen während der Freisetzung magnetischer Energie bei Ausbrüchen der Sonnenaktivität untersucht (Shen, ApJ, 2014). Dabei wurde erstmals der Prozess der Bildung magnetischer Flussseile im Frühstadium von Flares aufgedeckt (Shen, ApJ, 2017). Erstmals wurde berichtet, dass die Injektion magnetischer Flussseilströme im Frühstadium von Flares deren Ausbruch auslöste (Shen, RAA, 2022, 2023). Mithilfe hochauflösender Beobachtungen wurden die Dipolfeld-Separationsbewegung und die Bildung gewölbter dunkler Streifen beim Auftreten von Reiskörnern in neu entstehenden aktiven Regionen beschrieben, wodurch der Ursprung der Entstehung kleinräumiger magnetischer Flüsse enthüllt wurde (Shen, ApJ, 2022). Bei der Untersuchung der Koronaerwärmung wurde die durch magnetoakustische Schwingungen des solaren Photosphärenbereichs verursachte Koronaerwärmung direkt beobachtet (Hashim, RAA, 2021, ApJ 2024).

Zweitens wurden im Rahmen der Untersuchung von solaren Radioausbrüchen und Strahlungsmechanismen mögliche Strahlungsmodelle für Radioausbrüche vom Typ V und Bewegungsausbrüche vom Typ IV vorgeschlagen (Tang, ApJ, 2016, 2020) und Untersuchungen zur Feinstruktur des solaren Radios durchgeführt (Tang, RAA, 2021, Wan A&A, 2021).

Drittens wurde im Hinblick auf die Teilchenbeschleunigung durch Stoßwellen der doppelte Stoßwellenverfolgungseffekt simuliert und untersucht, und es wurde die „Frontalkollision“ zwischen der CME-Stoßwelle und dem Bugstoß der Erde simuliert. Es wurde festgestellt, dass das Energiespektrum der verschmolzenen Partikel ein „gebrochenes“ Merkmal aufwies (Wang, ApJ, 2017), und es wurde festgestellt, dass die Partikeleinspritzrate positiv mit der Beschleunigungseffizienz korrelierte (Wang, ApJ, 2019).

Hinweise auf die Entstehung magnetischer Flussstränge

(Bildquelle: bereitgestellt vom Autor Shen et al, ApJ, 2017)

Hinweise auf nichtthermische Elektronenbeschleunigung in Flare-Vorläufern

(Bildquelle: Shen et al, RAA, 2022)

Als eine der wichtigsten Entwicklungsrichtungen des „14. Fünfjahresplans“ hat die Abteilung für Sonnenphysik „Forschung zu Sonnenaktivitätsausbrüchen und Weltraumwetter“ des Astronomischen Observatoriums Xinjiang eine Reihe von Forschungsarbeiten durchgeführt, indem sie die dynamische Entwicklung von Sonnenaktivitätsausbrüchen unterschiedlichen Ausmaßes, die Ansammlung und Freisetzung magnetischer Flare-Energie und die Koronaerwärmung aufgedeckt hat. Unsere Forschungsergebnisse können einerseits die Kernprobleme der sonnenphysikalischen Grundlagenforschung lösen, andererseits den Ausbruch der Sonnenaktivität präzise vorhersagen und zuverlässige Frühwarninformationen für katastrophales Weltraumwetter liefern.

Hinweise auf koronale Heizkanäle

(Bildquelle: Haxim et al. ApJ, 2024 vom Autor bereitgestellt)

Obwohl es so hoch ist wie eine fliegende Wildgans, kann es den blauen Himmel immer noch nicht erreichen. Die Forschungsgruppe für Sonnenphysik des Astronomischen Observatoriums Xinjiang erlebt ihr goldenes Zeitalter. In naher Zukunft wird man erstens danach streben, ein Radioteleskop mit ultrahoher zeitlicher und spektraler Auflösung im Niederfrequenzband zu bauen oder die vorhandenen Beobachtungsgeräte entsprechend zu modernisieren, um den Anforderungen für Sonnenbeobachtungen auf höherer Ebene gerecht zu werden. zweitens wird es sich um die Einführung weiterer kleiner Sonnenteleskope bemühen, um die rasche Entwicklung der experimentellen Sonnenphysikforschung meines Landes zu unterstützen; Drittens werden im In- und Ausland große Aperturteleskope eingesetzt, um die physikalischen Mechanismen von Sonneneruptionen unterschiedlichen Ausmaßes zu untersuchen und rechtzeitige Warnungen für die Weltraumwettervorhersage bereitzustellen.

Der weitere Weg muss sich mit der Zeit bestätigen. Die Mitglieder des Sonnenphysik-Teams des Astronomischen Observatoriums Xinjiang werden die Gegenwart nutzen, für die Zukunft planen und ihre reuelose Jugend einsetzen, um den wissenschaftlichen Weg in eine bessere Zukunft zu ebnen.