Spektroskopische und statistische Untersuchungen an MBPs

Die Dynamik der Sonnenatmosphäre wird durch Magnetfelder hervorgerufen und beeinflusst. Diese dynamischen Prozesse sind Ausschlag gebend für das Weltraumwetter, welches für die Menschheit immer wichtiger wird (Telekommunikation, Satellitennavigation, bemannte Weltraumfahrt). In dem für ein Schrödinger Fellowship vorgeschlagenen FWF Projekt - Spektroskopische und statistische Untersuchungen an MBPs - sollen kleinskalige magnetische Sonnenmagnetfelder im Hinblick auf ihre zeitliche Evolution gemessen und beschrieben werden. Diese Magnetfeld-Strukturen wurden für die Wissenschaft erst in den letzten Jahren durch die neuesten und höchst auflösendsten Teleskope zugänglich. Ein besseres Verständnis von kleinskaligen Magnetfeldern wird dabei helfen die folgenden Problemstellungen in Zukunft zu lösen: a) Die Heizung der oberen Atmosphärenschichten, b) Dynamotheorien (lokal oder global), c) Langzeitvariabilität der Sonnenirradianz (wichtig für Klimaforschung). Das konkrete Wissenschaftsprojekt zielt i) auf die Auswertung der besten momentan vorhandenen Daten ab und wird ii) neue, in Österreich nicht zuvor verwendete, Methoden auf diese Datensätze anwenden. Die auszuwertenden Daten stammen von der kürzlich, erfolgreich verlaufenen Sunrise Mission. Bei dieser Mission handelt es sich um ein 1 m Sonnenteleskop welches auf einer Ballongondel in der Stratosphäre geflogen wurde. Durch den Flug in großer Höhe kann das störende Seeing (Luftunruhe) vermieden werden, welches ansonsten die Auflösung begrenzen würde. Bei den zu verwendenden Methoden handelt sich um spektroskopische Inversionstechniken, welche es ermöglichen, ein aufgezeichnetes Sonnenspektrum zu invertieren um eine Modellatmosphäre zu erhalten. Diese Modellatmosphäre beinhaltet physikalische Parameter wie Temperatur, Gasdruck, Magnetfeldstärke und Richtung oder auch die lokale Plasmageschwindigkeit. Bis jetzt hatte die österreichische Sonnenphysiker Community weder Zugang noch Erfahrung mit den Daten der Mission als auch mit den anzuwendenden spektroskopischen Methoden. Das Gastinstitut und der betreuende Wissenschaftler Dr. Jose Carlos del Toro Iniesta waren sowohl in der Entwicklung des Instruments als auch in der Entwicklung der spektroskopischen Methoden federführend beteiligt und gelten als international führend in diesem Feld. Durch die Abwicklung dieses Projektes würde sich somit für den Antragsteller bzw. für Österreich die Möglichkeit ergeben: - An einem führenden Forschungsinstitut und Instrument mitzuarbeiten. - Neue hochwertige Methoden zur Datenanalyse im Bereich der Sonnenphysik zu erlangen und nach Österreich zu transferieren. - Einen tieferen physikalischen Einblick in die Sonnenmagnetfelder zu gewinnen und zur Lösung der zuvor genannten Problemstellungen beizutragen.

In dem vom FWF geförderten Projekt Spektroskopische und statistische Untersuchungen an MBPs wurde die Charakterisierung, Interpretation und das Verständnis von kleinskaligen Magnetfeldern auf der Sonne vorangetrieben. Magnetisch helle Punkte (engl. Magnetic Bright Points, MBPs) gehören zur Klasse der kleinskaligen (Größen im Bereich von wenigen 100 km Durchmesser) starken solaren Magnetfelder (Feldstärken bis zu 2 kG; rund 1000-mal stärker als das Erdmagnetfeld). Sie spielen eine wichtige Rolle für das Verständnis der Heizung der oberen atmosphärischen Schichten der Sonne (Chromosphäre und Corona), die deutlich heißer (bis zu Millionen Kelvin) sind als die normalerweise sichtbare Photosphäre (~5700 K). Des Weiteren sind sie von fundamentalem Interesse für den magnetischen Haushalt der Sonne, da diese eine höhere Anzahl von Magnetfeldern auf kleinen Skalen besitzt als auf großen, welche sich als Sonnenflecke und aktive Regionen bemerkbar machen.In diesem Projekt wurde die Magnetfeldstärkenverteilung von diesen magnetisch hellen Punkten für die ruhige Sonne erstmalig gemessen und bestimmt (wichtig für den magnetischen Haushalt), sowie eine Charakterisierung der Größe und Helligkeit mit dem Sonnenbreiten und Längengrad vorgenommen. Dies ist wichtig für die Bestimmung des Einflusses der MBPs auf die Variation der Strahlungsleistung und Zusammensetzung der Sonne über ihren Zyklus. Diese Variation ist von entscheidender Bedeutung für Klimamodelle, da die eingestrahlte Energie auf die Erde (und ihre spektrale Zusammensetzung) natürlich die wichtigste Eingangsgröße für diese Klimamodelle darstellt.Im Anschluss an diese statistische Charakterisierung wurde die genaue zeitliche Entwicklung von MBPs untersucht. Hierbei wurden Daten einer deutsch-spanischen Ballonmission Sunrise analysiert. Ein automatisches Bildsegmentierungs-, Feature Identifizierungs- und Tracking-Programm wurde, auf die Daten des IMaX (Imaging Magnetograph eXperiment) Instruments angewendet. Durch das erstmalige Verfolgen der Entwicklung von MBPs in räumlich, sowie zeitlich hochaufgelösten spektro-polarimetrischen Daten (Daten, welche sowohl spektral aufgelöst sind, als auch die Polarisierung des Lichtes umfassen), war es möglich neue Einblicke in die Entstehung von MBPs zu gewinnen. Die allgemein anerkannte Standardtheorie zur Entstehung von MBPs, entwickelt in den 70er Jahren des vorherigen Jahrhunderts, besagt, dass ein starkes Magnetfeld den effektiven Energietransport zur Sonnenoberfläche verhindert. Hierdurch beginnt das Plasma innerhalb der Magnetfeldkonzentration abzukühlen und in Folge, aufgrund der höheren Dichte, nach unten abzusinken. Diese Evakuation des Magnetfeldes führt aufgrund des höheren atmosphärischen Umgebungsdrucks zu einem räumlichen Kollaps des Magnetfeldes mit einem entsprechenden Anstieg der Magnetfeldstärke. Diese Theorie ist als convective collapse konvektiver Kollaps bekannt.In unserer Untersuchung konnten wir diesen Mechanismus für die Entstehung von einigen MBPs nachweisen. Viele MBPs zeigten jedoch ein davon abweichendes Verhalten und andersartige Entstehungsmechanismen, welche in Zukunft noch detaillierter untersucht werden sollten. Z.B.: trat bei rund 10% der analysierten MBPs in der Umgebung ein starkes Aufsteigen von Plasma zu Tage, welches mit dem absinkenden Plasma zeitlich und räumlich auf das Engste korreliert war. Die auslösenden Mechanismen und zeitlichen Abläufe müssen allerdings noch genauer untersucht werden, um das Auftreten dieser aufsteigenden Plasmabewegungen erklären zu können.