Im Licht der Finsternis

Das Himmelsereignis in Amerika erlaubt Forschern einen seltenen Blick auf die Korona der Sonne. Von Felicitas Mokler

Jan Hattenbach

Das gleißend helle Sonnenlicht wird merklich fahler. Die Natur verstummt, ein kühler Wind kommt auf. Im nächsten Moment ist die Sonne vollständig hinter dem Mond verschwunden. Die Umgebung ist in ein seltsam graues Licht getaucht, das weder Tag noch Nacht bedeutet. Die heutige totale Sonnenfinsternis ist das erste Himmelsereignis dieser Art seit 99 Jahren, das sich quer über den amerikanischen Kontinent beobachten lassen wird. Gutes Wetter vorausgesetzt, wird die Sonnenfinsternis von der West- bis zur Ostküste Nordamerikas zu sehen sein.

Doch wenn während des Ereignisses, das Millionen Menschen in seinen Bann zieht, die Sonne als solche hinter dem Mond verschwindet, wird eine Besonderheit der Sonne für den Menschen sichtbar, die sonst verborgen bleibt: ihr Strahlenkranz, Korona genannt. In der Korona weht eine Million Grad heißes ionisiertes Gas vom Rand der Sonne in den Weltraum ab. Sie ist größtenteils unsichtbar, denn die meiste Energie strahlt im UV- und Röntgenbereich ab, ihr sichtbares Licht wird vom Rest der Sonne überstrahlt. Nur bei einer Sonnenfinsternis ist das anders.

Als Johannes Kepler das Phänomen im Jahr 1604 beschrieb, vermutete er fälschlicherweise, dass es sich dabei um eine Atmosphäre des Mondes handelte. Bei einer Finsternis im Jahr 1869 meinten die Forscher zunächst, anhand noch unbekannter Spektrallinien ein neues Element entdeckt zu haben. Erst die Physiker W. Grotrian, B. Edlén und H. Alfvén kamen in den 1940er Jahren dem Phänomen näher auf die Spur. Sie konnten zeigten, dass es sich um die Linien eines wohlbekannten, aber hoch ionisierten Elements handelt, nämlich Eisen, und daraus die Temperatur der Korona auf rund eine Millionen Grad schätzen.

Noch heute versuchen Forscher allerdings zu klären, wie sich die Korona derart aufheizen kann, obwohl die darunter liegende Sonnenoberfläche nur 5500 Grad heiß ist. Veränderungen im Magnetfeld der Sonnen sorgen für die solare Aktivität wie Sonnenflecken und Massenauswürfe auf verschiedensten Größen- und Zeitskalen. Global nimmt die Sonnenaktivität mit einem Zyklus von elf Jahren zu- und wieder ab. Im Großen wie im Kleinen gilt dabei ein ähnliches Prinzip: Treffen etwa gegenläufige Magnetfeldlinien aufeinander, kann das Magnetfeld aufbrechen und dabei enorme Energiemengen an das ionisierte Gas in der Umgebung freisetzen. Ähnliche Vorgänge zwischen Sonnenoberfläche und innerer Korona heizen vermutlich das Gas in der Atmosphäre der Sonne auf.

Jäger der Finsternis

Die aktuelle Sonnenfinsternis ist deshalb ein Geschenk für Koronaforscher. Jay Pasachoff vom Williams College in Massachusetts reist seit Jahrzenten Sonnenfinsternissen auf der ganzen Welt hinterher und lichtet die Korona ab. 33 totale Finsternisse hat er bereits gesehen, 65 insgesamt. Über die Jahre hinweg verfolgt er dabei die Veränderung der Korona während des solaren Aktivitätszyklus. Um ein möglichst vollständiges Bild zu erhalten, kombinieren er und seine Kollegen die Aufnahmen außerdem mit Satellitenbeobachtungen in anderen Wellenlängenbereichen. Bei der amerikanischen Sonnenfinsternis wollen Pasachoff und sein Team die Korona in zeitlich noch höherer Auflösung abbilden als bisher und hoffen, damit zum Verständnis der dynamischen Prozesse in der inneren Korona beitragen zu können.

Ein anderes Team vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics und dem High Altitude Observatory in Boulder, Colorado, plant, erstmals das Infrarotlicht der Korona mit einem Spektrografen von einem Flugzeug aus zu beobachten. Sie wollen spezielle Spektrallinien untersuchen, die erst durch Magnetfelder hervorgerufen werden und ihren Abstand zueinander je nach Stärke des Magnetfelds ändern.

Bei einer Flughöhe von 15 Kilometern lässt sich der sonst störende Wasserdampf in der Atmosphäre vermeiden und außerdem die Beobachtungszeit ein wenig durch den Flug verlängern. Mit ihrem Projekt wollen die Wissenschaftler eine Methode testen, die einmal bei einem künftigen Sonnenobservatorium Anwendung finden soll. Auch die Nasa will die Korona vom Flugzeug aus filmen.

"Zur Aufheizung der Korona werden im Wesentlichen drei verschiedene Prozesse diskutiert. Vermutlich spielen sie alle eine Rolle", sagt Hardi Peter vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen. "Diese ergeben sich aus langfristigen Beobachtungen der Korona im extremen UV-Licht und aus numerischen Computermodellen."

So könnten etwa Wechselströme Wellen im Magnetfeld auslösen, die sich im Plasma ausbreiten und ähnlich wie bei einer Stoßwelle Energie in die obere Atmosphäre transportieren. Zusätzlich kann sich die Korona direkt durch Ströme aufheizen, die im Plasma entstehen, wenn sich die Fußpunkte der Magnetfeldlinien, die in die Korona hineinreichen, gegeneinander verschieben. Ein weiteres Modell geht von sogenannten "Nanoflares" aus. Diese entstehen, wenn das Magnetfeld kleinräumig aufbricht und dabei Energie freisetzt. Wie diese Mechanismen im Detail funktionieren und in welchen Regionen der Sonne welcher dieser Prozesse dominiert, können die Forscher bisher allerdings nur vermuten. Denn alle diese Vorgänge haben ihren Ursprung in der Übergangsregion von der Oberfläche zur inneren Korona. Letztere aber ist nur schwer zu beobachten.

Mit einem sogenannten Koronografen lässt sich zwar das Licht der zentralen Sonnenscheibe ausblenden, indem man bildlich gesprochen einen Daumen vor das Objektiv hält. Bei erdgebundenen Beobachtungen beeinträchtigt allerdings das an der Atmosphäre gestreute Sonnenlicht die Bildqualität. Satellitengestützte Koronografen blenden auch einen Teil der Korona aus, da sonst zu viel Licht in die Kamera streuen würde.

Bei einer totalen Sonnenfinsternis, wie sie sich am 21. August über dem nordamerikanischen Kontinent ereignet, ist aber genau jene innere Region der Korona zu sehen. Zudem liefert das natürliche System aus Mond und Erde eine hervorragende Auflösung. Denn je größer der Abstand zwischen Abdeckscheibe und Teleskop ist, des desto schärfer wird das Bild. Ein Nachteil für die Forscher: Das Ereignis dauert nur wenige Minuten, viele dynamische Prozesse in der Korona laufen aber auf längeren Zeitskalen ab.

Um das Zeitlimit ein wenig zu umgehen, zählen die Forscher unter anderem bei einer groß angelegten Kampagne zunächst auf Studenten und freiwillige "Citizen Scientists". Für das "Eclipse Megamovie Project" sollen sie von verschiedenen Standorten entlang des Verlaufs der totalen Sonnenfinsternis Fotos von der Korona aufnehmen, die dann zu einem eineinhalbstündigen Film der Korona zusammengeschnitten und auch wissenschaftlich ausgewertet werden.

Was die wissenschaftliche Ausbeute dieses Projekts betrifft, ist Hardi Peter vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung jedoch etwas verhalten: Der Erkenntnisgewinn bei solchen Finsternissen sei in den letzten 50 Jahre eher gering ausgefallen. Der Göttinger Sonnenforscher setzt seine Hoffnungen vielmehr auf eine neue Generation von Sonnenkoronografen im All. Im Jahr 2020 soll eine Testmission der ESA starten, an der er mit seinem Team beteiligt ist. "Proba-3" wird aus zwei Satelliten bestehen, dem eigentlichen Teleskop und dem Koronografen in 150 Meter Entfernung, der die Sonne mit einer 1,5 Meter großen Scheibe abdecken wird. Mithilfe einer solchen Konstruktion erwarten die Forscher eine Bildqualität, die an jene einer echten Finsternis heranreicht, und das bei einem Beobachtungszeitraum von bis zu sechs Stunden im Testlauf.

Unabhängig davon, wie viel wissenschaftliche Erkenntnis die Forscher aus dieser Sonnenfinsternis ziehen werden, dürfte das Himmelsereignis diesmal besonders viele Menschen in seinen Bann ziehen, denn es vollzieht sich über dicht bevölkerten Gebieten. Und selbst in Westeuropa hinterlässt die heutige Sonnenfinsternis ihre Spuren. Kurz vor Sonnenuntergang ist auch bei uns eine partielle Finsternis zu sehen.

Zu den Beobachtungsmöglichkeiten in Europa mehr von Jan Hattenbach hier.