Ist es wahrscheinlich, dass die „künstliche Sonne“ aus „Das Drei-Körper-Problem“ realisiert wird? Forschungsergebnisse des Teams des jungen Wissenschaftlers Yuan Ding aus Shenzhen wurden in Nature Astronomy veröffentlicht

Seit fünftausend Jahren betreibt die chinesische Zivilisation unermüdliche Forschung im Bereich der Astronomie. Alte chinesische Bücher wie das „Buch der Wandlungen“ und das „Buch Han“ enthalten die frühesten und systematischsten Aufzeichnungen über die Welt der Sonnenflecken auf der Sonne. Heute hat die chinesische Sonnenforschung einen weiteren Schritt nach vorne gemacht, da sich Professor Feng Xueshang und Associate Professor Yuan Ding vom Institute of Space Science and Applied Technology des Harbin Institute of Technology (Shenzhen) mit dem „Problem der Erwärmung durch die Sonnenkorona“ befasst und einen innovativen physikalischen Mechanismus zur Erwärmung von Sonnenplasma vorgeschlagen haben, bei dem das größte Sonnenteleskop der Welt und Methoden der Hochleistungscomputersimulation zum Einsatz kommen.

Screenshot der Innenseite der Zeitschrift Nature Astronomy

Am 25. Mai wurden die Ergebnisse in Nature Astronomy unter dem Titel „Transverse Oscillations and Energy Source in a Strongly Magnetized Sunspot“ veröffentlicht. Außerordentlicher Professor Yuan Ding vom Harbin Institute of Technology (Shenzhen) war der erste und korrespondierende Autor, Masterstudent Fu Libo war der zweite Autor und Professor Feng Xueshang und Postdoktorand Blazej Kuzma waren Co-Autoren. Der Reporter erfuhr, dass diese Forschung das Ergebnis der gemeinsamen Anstrengungen von Wissenschaftlern und Forschungseinrichtungen aus vielen Ländern, darunter Europa und den Vereinigten Staaten, war. Als Initiatoren des Projekts haben Professor Feng Xueshang und Associate Professor Yuan Ding vom Institute of Space Science and Applied Technology des Harbin Institute of Technology (Shenzhen) die Rolle des „Chefdesigners“ übernommen, um der Menschheit zu helfen, die Sonne besser zu verstehen.

Das „Problem der Koronaheizung“ ist von großer Bedeutung

Dem „China Lunar Exploration Project“ ist es gelungen, Mondboden vom Mond zurückzubringen. Der Mond kommt immer näher, was ist also mit der Sonne? Yuan Ding, außerordentlicher Professor am Institut für Weltraumwissenschaft und angewandte Technologie des Harbin Institute of Technology (Shenzhen), sagte Reportern, die menschliche Forschung zur Sonne befinde sich noch in der „Anfangsphase“. Unsere Sonnenforschung dient derzeit vor allem der Luft- und Raumfahrt, Kommunikation und Navigation. Mit der Entwicklung der digitalen Wirtschaft verfügen die Menschen über immer mehr Ressourcen im Weltraum, wie Weltraumsatelliten, Raumstationen und Mond- (Mars-)Basen, und mit ihnen entsteht eine riesige Industriekette der digitalen Wirtschaft. Die Aktivitäten der Sonne stellen eine direkte Bedrohung für die Weltraumressourcen der Menschheit dar. Wenn ein Sonnensturm das Stromnetz oder das Kommunikationssystem beschädigt, droht uns ein Leben ohne Elektrizität, Kommunikation, Internet und soziale Medien.

Die Kernschattenfasern in Sonnenflecken schwingen seitlich in stark magnetischen Regionen und transportieren enorme Energiemengen.

Die Sonne ist eine aus Wasserstoff bestehende Gaskugel, deren Energie aus Kernfusionsreaktionen im Inneren der Sonne stammt. Dabei wird Energie von innen nach außen, vom Sonnenkern zur Sonnenoberfläche (Photosphäre), übertragen und die Temperatur sinkt von über 16 Millionen Grad Celsius auf über 5000 Grad Celsius. Die Korona liegt außerhalb der Photosphäre, weiter entfernt von der Wärmequelle im inneren Kern, und ihre Temperatur sollte niedriger sein. Die tatsächliche Temperatur der Korona beträgt jedoch mehrere Millionen Grad Celsius und ist damit 1.000 bis 10.000 Mal höher als die der Photosphäre. Dies ist das Problem, das die Physikergemeinde seit einem Jahrhundert plagt: das Problem der Erwärmung der Sonnenkorona. Das Problem der solaren Koronaheizung ist ein „herausragendes Thema“ im Bereich der Sonnenforschung und wurde 2012 vom SCIENCE-Magazin zu einem der acht ungelösten Rätsel der zeitgenössischen Astronomie gewählt.

Yuan Ding, Außerordentlicher Professor am Institut für Weltraumwissenschaft und angewandte Technologie, Harbin Institute of Technology (Shenzhen)

Yuan Ding studierte optische Informationswissenschaft und -technologie am Harbin Institute of Technology, erwarb einen Master-Abschluss in Nukleartechnik am Royal Institute of Technology in Schweden und promovierte anschließend in Physik an der University of Warwick in Großbritannien. Die komplexe und interdisziplinäre Lernerfahrung legte eine solide Grundlage für seine spätere Forschung in der Sonnenphysik. Nach Abschluss seines Studiums kam Yuan Ding 2017 an das Harbin Institute of Technology (Shenzhen), um dort in den Bereichen Weltraumwissenschaften und angewandte Technologieforschung zu arbeiten. „Dies ist ein wissenschaftliches Forschungsthema auf Nobelpreisniveau.“ Yuan Ding sagte, dass ihn die Frage der Koronaerhitzung schon lange beschäftigt: Warum ist die Korona so heiß? Das Verständnis der Prinzipien der Koronaerhitzung wird die Forschung im Bereich „künstlicher Sonnen“ voranbringen und es könnte für die Menschheit kein Traum mehr sein, sichere, saubere, effiziente und nachhaltige „künstliche Sonnenenergie“ zu nutzen. In der im Science-Fiction-Roman „Die drei Sonnen“ beschriebenen Zukunftswelt haben die Menschen eine kontrollierte Kernfusionsanlage geschaffen – eine „Miniatursonne“, die in einem Reaktor brennt und dabei mit geringem Brennstoffverbrauch enorme Wärmemengen zur Stromerzeugung freisetzt. Dieses Gerät wird als „künstliche Sonne“ bezeichnet.

Ein gutes Sonnenteleskop ist eine „Hilfe Gottes“

Die wissenschaftliche Gemeinschaft hat zum Thema der Koronaerhitzung zahlreiche Hypothesen, Schlussfolgerungen und Studien aufgestellt. Feng Xueshang und Yuan Ding führten die Arbeit ihrer Vorgänger einen Schritt weiter. Im Jahr 2018 reiste Yuan Ding zum Big Bear Lake Observatory in Kalifornien, USA, um astronomische Beobachtungen durchzuführen, wo er auf „Gottes Hilfe“ stieß, um das Rätsel zu lösen – das Good Solar Telescope. Das Goode Solar Telescope hat eine Öffnung von 1,6 Metern und ist das größte Sonnenteleskop, das derzeit weltweit in Betrieb ist. Sein einzigartiger Beobachtungsstandort und seine leistungsstarken Beobachtungsinstrumente und -geräte ermöglichen die Bearbeitung dieses äußerst anspruchsvollen Forschungsthemas. Mithilfe der Beobachtungsdaten mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung des Goode Solar Telescope entdeckte Yuan Ding, dass die starken Magnetfelder der Sonnenflecken periodische Querbewegungen enthalten, nämlich transversale magnetohydrodynamische Wellen.

Das 1,6 Meter große Gould Solar Telescope am Big Bear Lake Observatory in den USA ist das größte Sonnenteleskop der Welt.

Yuan Ding erklärte, dass Sonnenflecken mit einer Temperatur von etwa 4.000 Grad Celsius die kältesten Strukturen auf der Sonnenoberfläche seien, während die entsprechenden sonnenaktiven Regionen darüber mit etwa 2 bis 20 Millionen Grad Celsius die heißesten Bereiche in der Sonnenkorona seien. Das Magnetfeld und die Hochtemperatur-Plasmakopplungsstruktur aus Sonnenflecken und aktiven Regionen verschärfen die Bedingungen für die Erwärmung des Solarplasmas. Diese Eigenschaften erregten die Aufmerksamkeit des Forschungsteams. Als Yuan Ding 2018 am Big Bear Lake Observatory in Kalifornien astronomische Beobachtungen durchführte, fiel dies mit dem aktiven Zyklus der Sonnenflecken zusammen. Er fand heraus, dass die Kernschattenfasern in den Sonnenflecken seitlich schwangen und dabei enorme Energie erzeugten. „Der Zeitpunkt der Beobachtung ist sehr wichtig“, sagte Yuan Ding. Die Gelegenheit begünstigt immer den vorbereiteten Geist. Durch Beobachtungen, Datenüberprüfung, Hypothesenvorschläge und gemeinsame Forschung mit einem internationalen Team haben wir schließlich auf der Grundlage mathematischer Modelle berechnet, dass die für die starken magnetischen Regionen der Sonnenflecken (etwa 4000 Gauß) erforderliche Antriebskraft 100- bis 1000-mal höher ist als die anderer Bereiche der Sonne. Der Energiefluss, der durch diese Art der Bewegung übertragen wird, beträgt etwa 7.500.000 Watt pro Quadratmeter. Bereits ein Tausendstel oder ein Zehntausendstel der Energie reicht aus, um den Energiefluss zu erreichen, der zur Erwärmung der Sonnenkorona erforderlich ist und damit den Anforderungen für die Erwärmung eines Solarplasmas entspricht.

Die seitliche Bewegung der starken Magnetfelder von Sonnenflecken entspricht der seitlichen Schwingung von Hochhäusern in der Stadt. Diese Art der Bewegung birgt einen enormen Energiefluss, und nur ein starkes Erdbeben kann diese Art der Bewegung antreiben. Daraus lässt sich schließen, dass die seitliche Bewegung der starken Magnetfelder von Sonnenflecken eine sehr hohe Energie transportiert. Das Team schätzt, dass dieser Energiefluss 7.500 Klimaanlagen entspricht, die mit voller Leistung laufen, um eine Fläche von 1 Quadratmeter zu beheizen. sagte Yuan Ding.

Forschungsergebnisse lösen hitzige Debatte aus

Zur Bedeutung der Forschung sagte Yuan Ding, der größte Durchbruch sei die erstmalige Entdeckung einer neuen Energiequelle gewesen, die zehntausendmal stärker sei als der für die Koronaheizung erforderliche Energiefluss. Darüber hinaus nutzte er eine Supercomputersimulation, um den Plasma-Heizeffekt dieser Energiequelle zu reproduzieren und so ein revolutionäres Feld der Koronaheizung zu erzeugen. Diese Forschung hat das Potenzial, das jahrhundertealte physikalische Problem der Koronaerhitzung zu lösen, und dürfte zu einem zentralen wissenschaftlichen Ziel großer internationaler Forschungsausrüstung werden, wie etwa der nächsten Generation von Sonnenteleskopen mit einer Apertur von 4 bis 8 Metern.

Es ist davon auszugehen, dass die Arbeit nach ihrer Veröffentlichung große Aufmerksamkeit in der wissenschaftlichen Gemeinschaft und der Öffentlichkeit erregte. Das Magazin „Nature“ lud Marco Stangalini, einen berühmten Wissenschaftler der italienischen Weltraumagentur, ein, einen Kommentar zu dieser Forschung zu schreiben und ihren bahnbrechenden Beitrag zur Theorie der Koronaheizung und ihre richtungsweisende Bedeutung für den Bau großer erdgebundener Sonnenteleskope zu bewerten. Über diese Forschungsergebnisse wurde in mehr als einem Dutzend international renommierter Medien und Wissenschaftsmagazinen berichtet, darunter auch im National Geographic.

Standbilder aus der Fernsehserie „Die drei Sonnen“

Die Studie entdeckte eine neue Energiequelle, die stärker ist als der Energiefluss, der für die Erwärmung der Korona erforderlich ist, was unweigerlich zu der Frage führt: Wird die „künstliche Sonne“ im „Dreikörperproblem“ der Realität näher kommen? Yuan Ding sagte, dass dieser Erfolg tatsächlich dazu beitragen werde, die Forschung und Entwicklung der Plasmaheiztechnologie für die „künstliche Sonne“ voranzutreiben. Die Plasmaerhitzung ist ein wichtiger Schritt zur Erklärung der Entstehung des Sonnenwindes, der wichtigen Treibstoff für die interstellare Raumfahrt liefert. „Natürlich werden weder eine ‚künstliche Sonne‘ noch ‚interstellare Reisen‘ kurzfristig Realität werden, aber die Ergebnisse dieser Forschung haben eine sehr wichtige Grundlage für nachfolgende Forschungen gelegt.“ Yuan Ding sagte, dass dieser Erfolg den „Fortschrittsbalken“ der entsprechenden wissenschaftlichen Forschung einen Schritt weiter nach vorne verschoben habe. Yuan Ding gab außerdem bekannt, dass sich das Team weiterhin auf die wissenschaftliche Forschung im Bereich der Koronaheizung konzentrieren werde. „Im nächsten Schritt wird sich das Team darauf konzentrieren, ob die neue Energiequelle für Sonnenflecken häufig vorkommt. Das nächste Ziel besteht darin, diese Theorie auf Sternflecken anzuwenden und mithilfe fortschrittlicher mathematischer Modelle und astronomischer Geräte den Plasma-Heizmechanismus von Sternflecken zu erforschen.“

Dieses Projekt wurde von einem internationalen Team unter der Leitung von Feng Xueshang und Yuan Ding durchgeführt und die Forschung wurde von Experten und Wissenschaftlern auf der ganzen Welt unterstützt: Masterstudent Fu Libo und Postdoktorand Blazej Kuzma nahmen an der astronomischen Datenanalyse bzw. der zweifluidigen magnetohydrodynamischen numerischen Simulation teil; Das Institut für Weltraumwissenschaft und angewandte Technologie des Harbin Institute of Technology (Shenzhen) war für die Gestaltung astronomischer Experimente und die Analyse astronomischer Daten verantwortlich. Das New Jersey Institute of Technology (Big Bear Lake Observatory) war für die astronomischen Beobachtungen und die Datenkalibrierung des Goode Solar Telescope verantwortlich. das Institut für Astronomie und Physik der Kanarischen Inseln in Spanien war für die optische Inversion und Modellierung von Stokes verantwortlich; die Fakultät für Physik der Marie-Curie-Universität in Polen war für die numerische Zwei-Fluid-magnetohydrodynamische Simulation verantwortlich; die Fakultät für Mathematik der KU Leuven in Belgien war für die mathematische Modellierung verantwortlich; das Team des Indian Institute of Technology beteiligte sich an der Gestaltung astronomischer Experimente und der Erstellung wissenschaftlicher Arbeiten; Die School of Information Engineering and Automation der Kunming University of Science and Technology, das Shenzhen Information Vocational and Technical College und das National Astronomical Observatory waren an der Analyse astronomischer Daten und anderen damit verbundenen Arbeiten beteiligt.

【Harbin Institute of Technology (Shenzhen) Institut für Weltraumwissenschaft und angewandte Technologie】