Die Details der Sonnenoberfläche werden Stück für Stück enthüllt: Beobachtung der Sonne bis ins kleinste Detail

[Mobile Software: BoKeYuan] Erinnern Sie sich noch an die erste Bilderserie, die Ende Januar 2020 vom 4-Meter-Inouye-Sonnenteleskop der National Science Foundation veröffentlicht wurde? Das Teleskop zeigt die Sonne in atemberaubenden Details und ist das größte Sonnenteleskop der Welt. Es ermöglicht den Forschern, die Sonnenoberfläche mit einer höheren Auflösung als je zuvor heranzuzoomen. Doch neben der Möglichkeit, die Sonne in einer bisher unerreichten Auflösung einzufangen, bietet die Größe des neuen Teleskops noch einen weiteren Vorteil: Es wird den Wissenschaftlern auch ermöglichen, Licht in einer bisher unerreichten Detailgenauigkeit einzufangen.

„Es gibt zwei Möglichkeiten, ein großes Teleskop wie das Inouye Solar Telescope zu nutzen: Man kann die Sonne mit den feinsten Details betrachten, die der Durchmesser des Teleskops zulässt, oder man kann auf einige Details verzichten und das Teleskop wie einen Photonenbehälter verwenden. Das Inouye Solar Telescope bietet uns einen sehr großen Behälter“, sagte Roberto Casini, Wissenschaftler am National Center for Atmospheric Research (NCAR). Wissenschaftler am High Altitude Observatory (HAO) des NCAR hoffen, dass die Nutzung des Teleskops als Photonenbehälter Möglichkeiten bietet, neue Polarisationssignaturen im sichtbaren Spektrum der Sonnenstrahlung zu entdecken, die möglicherweise zu schwach waren, um mit früheren, kleineren Teleskopen gefunden zu werden.

Solche Signale geben den Wissenschaftlern wichtige Hinweise auf die Funktionsweise des komplexen Magnetfelds der Sonne und lassen sich leichter erkennen, wenn mehr Sonnenlicht eingefangen wird. Um nach diesen Signalen zu suchen, entwarfen und bauten die Forscher eines der fünf Instrumente des Inouye Solar Telescope: das Visible Spectropolarimeter (VISP). Dieses äußerst vielseitige Instrument kann jede Wellenlänge im sichtbaren Spektrum der Sonnenstrahlung beobachten und bietet den Wissenschaftlern große Flexibilität bei ihren Untersuchungen. Es wird außerdem in ein Anlagensoftwarepaket integriert, das die von VISP gesammelten Daten schnell in wissenschaftliche Produkte umwandelt.

Von wenigen zu vielen

Die technische Flexibilität und die Datenverarbeitungsmöglichkeiten des sichtbaren Spektropolarimeters werden die Aufmerksamkeit erneut auf die Erkenntnisse lenken, die das polarisierte Licht der Sonne offenbaren kann. NCAR wird von der National Science Foundation (NSF) gesponsert und das Inouye Solar Telescope wird vom National Solar Observatory der NSF verwaltet. Wissenschaftler wissen seit mehr als einem Jahrhundert, dass Magnetfelder das von Ionen in der Sonnenatmosphäre emittierte oder gestreute Licht beeinflussen und so eine Polarisation erzeugen. Durch die Modellierung und Interpretation der Polarisationseigenschaften dieser Felder können Wissenschaftler die großräumige Form und Struktur des Magnetfelds der Sonne nachvollziehen.

Letztendlich wird dies den Forschern helfen, Sonneneruptionen besser zu verstehen und vorherzusagen. Das durch diese heftigen Ereignisse erzeugte Weltraumwetter kann den Funkverkehr, die Stromnetze und GPS-Signale stören, Astronauten gefährden und Satelliten beschädigen. Das Erkennen und Interpretieren polarisierten Lichts der Sonne war jedoch eine Herausforderung, unter anderem, weil das Signal normalerweise so schwach ist, dass die Wissenschaftler eine große Zahl von Photonen sammeln müssen, um es vom unpolarisierten Hintergrund der Sonne zu unterscheiden. Auch die zur Polarisationserkennung verwendeten Instrumente tragen zu dieser Schwierigkeit bei, da sie selbst eine Polarisation verursachen können.

Beispielsweise polarisieren die Spiegel in einem Teleskop, die einfallendes Licht auf einen Detektor lenken, es auch. Die zum Entschlüsseln und Interpretieren des Polarisationssignals der Sonne erforderlichen Fähigkeiten sind recht speziell. Bislang war die solare spektrale Polarimetrie eine Technik, die nur wenige Menschen beherrschten. Visp und das Inouye-Sonnenteleskop sollen diesen Engpass überwinden. Das Instrument kann mit minimalem menschlichen Eingriff installiert und betrieben werden. Die Daten werden direkt in die Gerätesoftware eingespeist, die die Informationen verarbeiten und in ein für die Wissenschaft nutzbares Produkt umwandeln kann.

Die Möglichkeit, Neues zu entdecken

Das automatisierte ViSP-Design hat einen weiteren entscheidenden Vorteil. Anders als sein Vorgänger, der zur Untersuchung verschiedener Lichtwellenlängen manuell neu konfiguriert werden musste, kann das ViSP-Setup problemlos von einer Computerkonsole aus modifiziert werden, um jede Wellenlänge im sichtbaren Lichtspektrum der Sonne zu beobachten. Bei älteren, arbeitsintensiven Spektropolarimeter-Instrumenten neigen Wissenschaftler dazu, bei gut getesteten Wellenlängen zu bleiben, von denen bereits bekannt ist, dass sie empfindlich auf den Magnetismus der Sonne reagieren. Mithilfe von VISP können Wissenschaftler dieselben Wellenlängen untersuchen und die Auflösung des Inouye Solar Telescope nutzen, um diese Polarisation in beispielloser Detailliertheit zu beobachten.

VISP wird den Wissenschaftlern aber auch die Möglichkeit geben, das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts zu erforschen. Dabei könnten sie auf neue, noch nie zuvor beobachtete Polarisationssignale stoßen, die ihr Verständnis des Magnetfelds der Sonne bereichern könnten. Durch den Einsatz von ViSP ist es möglicherweise wahrscheinlicher, dass diese bisher unentdeckten Signale gefunden werden, da das Instrument nicht nur über seine automatisierte Flexibilität verfügt, sondern auch unter einem massiven Teleskop montiert ist, wodurch mehr Licht einfällt. Neue Polarisationssignale können schwächer sein als bekannte Signale und ihre Erkennung erfordert einen größeren Pool an Photonen, um das Signal vom Rauschen zu isolieren.

VISP befindet sich noch im letzten Prozess der Standortabnahme und wissenschaftlichen Validierung, in dem die Forscher nachweisen werden, dass das Instrument alle funktionalen Anforderungen erfüllt und somit wissenschaftlich durchführbar ist. Sobald dieser Vorgang abgeschlossen ist, wird das Instrument mit dem wissenschaftlichen Betrieb beginnen. Schließlich werden alle Instrumente des Teleskops, einschließlich VISP, Forschern auf der ganzen Welt zur Verfügung stehen.

Boco Park | Forschung/Von: NCAR & UCAR

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