Gibt es Polarlichter auf der Sonne?

Hallo zusammen, mein Name ist Zhou Xuzhi und ich komme vom Institut für Weltraumphysik und angewandte Technologie der Peking-Universität. Heute habe ich im Unterricht eine naturwissenschaftliche Frage beantwortet und eine Ohrfeige bekommen. Ich bin zwar nicht bereit, diese Tatsache zu akzeptieren, denke aber auch, dass diese Frage eigentlich ziemlich wertvoll ist, deshalb möchte ich sie hier in diesem Video noch einmal besprechen.

Diese Frage ist kurz: Gibt es Polarlichter auf der Sonne? Ich bin mit dem Konzept von Aurora ziemlich vertraut und kann daher ausführlich darüber sprechen. Ich sagte: Beginnen wir mit dem Polarlicht auf der Erde. Wenn hochenergetische geladene Teilchen im Weltraum entlang der magnetischen Feldlinien in die polare Atmosphäre der Erde eindringen, werden die neutralen Teilchen in der Atmosphäre, hauptsächlich Sauerstoff- und Stickstoffatome oder -moleküle, in einen relativ energiereichen Zustand versetzt. Wenn sie dann von diesen energiereichen Zuständen zurück in den Grundzustand übergehen, emittieren sie Photonen spezifischer Wellenlängen, die mehreren spezifischen Spektrallinien im Polarlicht der Erde entsprechen, oder, einfacher ausgedrückt, mehreren verschiedenen Farben, von denen Grün und Rot die stärksten sind (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die Farben der Polarlichter der Erde

Natürlich können auch andere Planeten Polarlichter haben. Zum Beispiel Jupiter. Der Hauptbestandteil der Jupiteratmosphäre ist Wasserstoff. Daher sind die stärksten Linien in Jupiters Polarlicht einige charakteristische Spektrallinien von Wasserstoff, wie etwa die Lyman-Alpha-Linie im Ultraviolettbereich. Aber was ist mit der Sonne? Auf der Sonne passiert tatsächlich das Gegenteil – es gibt einige dunkle Linien im Sonnenspektrum (Abbildung 2). Dieses Spektrum wird Absorptionsspektrum genannt. Es entsteht, weil das Sonnenlicht selbst sehr stark ist. Wenn diese Photonen die obere Atmosphäre der Sonne durchdringen und ihre Frequenzen mit den Spektrallinien bestimmter Elemente übereinstimmen, werden sie absorbiert und bilden dunkle Linien. Kann man das Aurora nennen? Ich glaube nicht.

Abbildung 2: Solares Absorptionsspektrum

Ich hatte nicht erwartet, dass dieser Klassenkamerad vorbereitet kam. Er zeigte mir einen Bericht mit dem Titel „Wissenschaftler entdecken erstmals ein Phänomen auf der Sonnenoberfläche, das dem Polarlicht der Erde ähnelt.“ Darin wurde ein im November 2023 in Nature Astronomy veröffentlichter Artikel zitiert, in dem es hieß, Polarlichter seien in der Nähe von Sonnenflecken entdeckt worden und ihre Häufigkeit sei tausendmal höher als die der Polarlichter auf der Erde. Ich war für einen Moment fassungslos. Die Frequenz der Polarlichter der Erde liegt ungefähr im Bereich des sichtbaren Lichts. Wenn die Frequenz tausendmal höher ist als die des Polarlichts auf der Erde, muss man sie als Röntgenstrahlung klassifizieren. Geht es in diesem Artikel um weiche Röntgenausbrüche der Sonne? Natürlich senden Sonneneruptionen weiche Röntgenstrahlen aus, aber das ist keine neue Entdeckung und man kann es nicht als Polarlicht bezeichnen. Ich konnte dem Klassenkameraden also nur offen sagen, dass ich es nicht wusste, und ihn bitten, nach Hause zu gehen und die Zeitung durchzusehen.

Erst als ich nach Hause kam, wurde mir klar, dass es in diesem Artikel tatsächlich um Radiostrahlung ging. Radiowellen sind eine Art elektromagnetischer Wellen mit sehr langen Wellenlängen. Das sichtbare Licht, von dem wir üblicherweise sprechen, hat eine Wellenlänge von einigen hundert Nanometern. Beispielsweise hat das rote Licht der Aurora eine Wellenlänge von 630 Nanometern. Aber wie lang ist die Wellenlänge von Radiowellen? Beispielsweise beobachten wir manchmal eine Art von Radiostrahlung, die als Kilometerwellen der Polarlichter der Erde bezeichnet wird. Wie der Name schon sagt, liegt die Wellenlänge ungefähr in der Größenordnung von Kilometern und ist damit Milliarden Mal länger als sichtbares Licht. Apropos Polarlichtkilometerwellen: Ich möchte Ihnen ein sehr berühmtes Beobachtungsbild des Sternenforschers Carl Sagan zeigen. Wie wir alle wissen, hatte Carl Sagan schon immer ein großes Interesse an außerirdischem Leben. Er dachte: Vielleicht könnten wir die Erde eines Tages aus der Perspektive eines Außerirdischen betrachten? Da der Mensch täglich mit verschiedenen elektromagnetischen Wellen arbeitet, wollte er herausfinden, welche elektromagnetischen Wellen zu sehen wären, wenn Satelliten im Weltraum die Erde beobachten würden, damit wir bei der Suche nach Außerirdischen einen Anhaltspunkt hätten (Abbildung 3). Er verwendete einen Satelliten namens Galileo und beobachtete tatsächlich elektromagnetische Wellen aus menschlichen Aktivitäten, die als horizontale Balken in der oberen linken Ecke des Bildes dargestellt sind. Darüber hinaus können wir aber auch viele verschiedene elektromagnetische Wellen sehen, wie beispielsweise einige verstreute Schwankungen in der unteren linken Ecke, die in der Abbildung als AKR gekennzeichnet sind. AKR steht für Auroral Kilometric Radiation, also die kilometrische Welle des Polarlichts.

Abbildung 3: Satellitenbeobachtung der elektromagnetischen Wellen der Erde, aus Sagan et al., Nature, 1993

Auf diesem Bild sind die Kilometerwellen der Polarlichter vielleicht nicht besonders auffällig, doch als sie entdeckt wurden, erregten sie sofort die große Aufmerksamkeit der Wissenschaftler. Denn es verfügt über mehrere ganz besondere Eigenschaften. Erstens ist diese Schwankung sehr stark. Wie stark ist es? Wenn die beobachtete Radiostrahlung als Schwarzkörperstrahlung betrachtet und mit der Planckschen Formel angepasst wird, liegt die entsprechende Äquivalenttemperatur ungefähr in der Größenordnung von 10 hoch 14. Diese Temperatur ist zu absurd, also stammen sie offensichtlich nicht von Wärmestrahlung. Die andere Eigenschaft ist interessanter. Wie wir alle wissen, bewegt sich ein Elektron, wenn es in ein Magnetfeld gebracht wird, innerhalb des Magnetfelds. Die Frequenz dieser Bewegung wird als Elektronenzyklotronfrequenz bezeichnet. Man hat herausgefunden, dass die Zyklotronfrequenz der Elektronen im polaren Magnetfeld der Erde sehr nahe an der Frequenz der Polarlichtkilometerwellen liegt. Darüber hinaus liegt der Anregungsbereich der Aurora-Kilometerwelle, wie der Name schon sagt, in der Polarlichtzone hoher Breitengrade der Erde, und die Ausbreitungsrichtung ist grundsätzlich senkrecht zur Richtung des Magnetfelds. Man könnte sich also vorstellen, dass die Anregung dieser Fluktuation mit der Zyklotronbewegung von Elektronen um das Magnetfeld in den Höhen der Polarregionen zusammenhängt. Allerdings gibt es noch immer Diskussionen darüber, was der genaue Anregungsprozess ist.

Die derzeit vorherrschende Meinung ist, dass die Schwankungen durch einen Prozess namens Elektron-Zyklotron-Maser-Instabilität angeregt werden. Diese Instabilität klingt kompliziert, und das ist sie natürlich auch, aber wir können eine vereinfachte Version geben. Stellen Sie sich vor, es gäbe eine sehr schwache elektromagnetische Fluktuation, deren Polarisationsrichtung und Frequenz mit der Zyklotronrichtung und -frequenz eines Elektrons übereinstimmen. Aus der Beobachtungsperspektive dieses Elektrons weist dieses fluktuierende elektrische Feld also immer eine feste Phasendifferenz zu sich selbst auf. Das Elektron kann also kontinuierlich beschleunigt oder abgebremst werden, oder anders ausgedrückt: Durch die Resonanz zwischen Welle und Elektron kommt es zu einem starken Energieaustausch. Natürlich gibt es im Weltraum viele Elektronen, von denen einige Energie in Wellen umwandeln, während andere Wellen Energie in Elektronen umwandeln. Ist ersterer höher, wird die elektromagnetische Welle immer stärker, bis sie als Polarlicht-Kilometerwellen beobachtet werden kann.

Es gibt jedoch ein Problem. Wenn die Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen im Raum der Boltzmann-Verteilung genügt und die Anzahl der sich in jede Richtung bewegenden Elektronen gleich ist, dann ist die Anzahl der Elektronen, die elektromagnetischen Wellen Energie verleihen können, geringer als die Anzahl der Elektronen, die aus elektromagnetischen Wellen Energie gewinnen. In diesem Fall treten also keine Polarlichtkilometerwellen auf. Aber das Universum ist erstaunlich. In den höheren Breitengraden der Erde ist die Anzahl der Elektronen, die sich in verschiedene Richtungen bewegen, unterschiedlich. Dieser Grund steht in direktem Zusammenhang mit der Aurora. Wir haben gerade erwähnt, dass die Polarlichter der Erde hauptsächlich durch Elektronen im Weltraum verursacht werden, die entlang der magnetischen Feldlinien die polare Atmosphäre erreichen. Wenn wir also ein Elektron im Raum betrachten, dessen Bewegungsrichtung einen großen Winkel mit den magnetischen Feldlinien bildet, wie wird es sich bewegen? Es wird durch das starke Magnetfeld in einer bestimmten Höhe zurückgeworfen (Abbildung 4). Das heißt, nur die Elektronen, die die Erdatmosphäre bombardieren, werden nicht zurückgeworfen. Wenn Sie also über die Polarregionen der Erde blicken, werden Sie feststellen, dass sich Elektronen in jede Richtung bewegen können, außer in eine – entgegen der Richtung der magnetischen Feldlinien, in der sich fast keine Elektronen bewegen. Diese anisotrope Elektronengeschwindigkeitsverteilung führt zu einer Instabilität des Elektronenzyklotronmasers und erzeugt so Polarlicht-Kilometerwellen. Aus diesem Grund benennen wir diese Radiostrahlung nach der Aurora, obwohl ihre Wellenlänge Milliarden Mal länger ist als die der Aurora, von der wir normalerweise sprechen.

Abbildung 4: Beispiel für Elektronenbewegung im Erdmagnetfeld

Ähnliche Radioemissionen können auch von anderen Planeten wie Jupiter und Saturn beobachtet werden. Natürlich unterscheiden sich ihre Frequenzen etwas von den Kilometerwellen der Polarlichter auf der Erde. Der Grund ist ganz einfach. Wie bereits erwähnt, liegt die Frequenz der Aurora-Kilometerwelle sehr nahe an der Zyklotronfrequenz von Elektronen, und die Zyklotronfrequenz von Elektronen wird durch das lokale Magnetfeld bestimmt. Da das Magnetfeld des Jupiters viel stärker ist als das der Erde, ist auch die entsprechende Radiostrahlungsfrequenz höher als die der Erde. Tatsächlich gelang mit dieser Methode die erste Messung des Magnetfelds des Jupiters in der Menschheitsgeschichte, indem man zur Umkehrung die Frequenz der Radiostrahlung des Jupiters nutzte. Eine ähnliche Radiostrahlung wurde sogar bei einigen massearmen Sternen beobachtet und man geht allgemein davon aus, dass diese Radiostrahlung aus derselben Quelle stammt.

Schließlich kehren wir zur Sonne zurück. Das Neue an diesem in Nature Astronomy veröffentlichten Artikel ist die Tatsache, dass sie eine ähnliche Radiostrahlung auf der Sonne beobachteten, die viel länger anhielt als die üblicherweise beobachteten solaren Radioausbrüche und über Sonnenflecken auftrat. Dieser Vorgang lässt sich durch eine schematische Darstellung des Autors darstellen (Abbildung 5). Die beiden schwarzen Bereiche am unteren Bildrand stellen zwei Sonnenflecken dar. An Sonnenflecken ist das Magnetfeld sehr stark. Aus der Abbildung ist auch ersichtlich, dass die Magnetlinien, die die beiden Sonnenflecken verbinden, bogenförmig sind und die Magnetfelder an beiden Enden der Magnetlinien stärker sind, während das Magnetfeld in der Mitte schwächer ist. Dieses Muster ähnelt in gewisser Weise dem Muster der magnetischen Feldlinien, die den Nord- und Südpol der Erde verbinden. Der Autor zog also eine Analogie und glaubte, dass sich über den Sonnenflecken mehr Elektronen senkrecht zu den Magnetfeldlinien bewegen würden als parallel dazu, was zur Instabilität des Elektronenzyklotronmasers führen und die Radiostrahlung anregen würde. Da die Magnetfeldintensität über Sonnenflecken viel stärker ist als die der Polarregionen der Erde, ist auch die entsprechende Strahlungsfrequenz tausendmal höher als die Kilometerwelle der Polarlichter der Erde.

Abbildung 5: Schematische Darstellung der solaren „Aurora“-Radiostrahlung

Ich halte das für eine sehr interessante Entdeckung, insbesondere weil sie eine neue Möglichkeit nahelegt. Wenn man in der Vergangenheit Radiosignale beobachtete, die von einigen massearmen Sternen ausgesendet wurden, glaubte man im Allgemeinen, dass diese Radioschwankungen vom globalen Magnetfeld der Sterne herrührten. Aber jetzt wissen wir, dass es eine andere Erklärung gibt. Vielleicht gibt es auf diesen Sternen auch Sonnenflecken und die kleinräumigen Magnetfeldmuster zwischen den Sonnenflecken können ebenfalls Radiostrahlung anregen? Diese Vermutung muss durch weitere Untersuchungen überprüft werden.

Doch zurück zum Thema. Kann man diese Radiostrahlung der Sonne als Polarlicht bezeichnen? Vielleicht, aber obwohl dieses sogenannte Polarlicht im Radiowellenband einen gewissen kausalen Zusammenhang mit dem Polarlicht hat, über das wir normalerweise sprechen, sind sie dennoch sehr unterschiedlich. Vielleicht sollten wir bei der Populärwissenschaft vorsichtiger sein und beides nicht einfach verwechseln? Dies ist auch meine ursprüngliche Absicht mit diesem Video: alle zu ermutigen und ich hoffe, dass jeder etwas daraus lernen kann. Danke!

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Zhou Xuzhi, Forscher an der School of Earth and Space Sciences, Peking University

Gutachter: Sun Zhibin, Forscher, National Space Science Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.