Simulierter Sonnenwind

Madison (USA) - Starke Sonnenwinde stören die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen und können sogar die Kommunikation mit Satelliten stören. Sonnenwinde bestehen aus Strömen ionisierter Teilchen – vor allem aus Protonen und Elektronen, die sich entlang des Magnetfelds ausbreiten. Um diese Prozesse besser zu verstehen, stellten nun amerikanische Physiker das Magnetfeld der Sonne erfolgreich im Labor mit einer Plasmakammer nach. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ berichten, lassen sich dadurch neue Einblicke in die fundamentale Physik der Sonnenwinde gewinnen.

Drei Meter durchmisst die kugelförmige Plasmakammer – Big Red Ball, mit der Ethan Peterson und seine Kollegen an der University of Wisconsin-Madison das solare Magnetfeld untersuchten. In diese Kammer ließen die Forscher eine kleine Menge Heliumgas einströmen. Mit bis zu 400 Volt starken Spannungen ionisierten sie dieses Gas und erhielten so ein Plasma aus geladenen Teilchen. Ein starker Magnet aus einer Samarium-Kobalt-Legierung in der Mitte der Kammer baute ein Magnetfeld auf. Dieses Plasma konnten sie mit elektrischem Starkstrom in Rotation versetzen, um die natürlichen Prozesse der Sonne nachzustellen.

Über die Variation der Versuchsparameter gelang es Peterson und Kollegen, mit Big Red Ball ein Magnetfeld zu erzeugen, dass sich wie eine Spirale in den umgebenden Raum ausbreitete. Damit ähnelte es der so genannten Parker-Spirale, einem heliosphärischen Magnetfeld, das den Teilchenstrom des Sonnenwinds beeinflusst und sich von der Sonne in einer gigantischen Spirale durch das Sonnensystem ausbreitet. Benannt wurde es nach dem amerikanischen Astrophysiker Eugene N. Parker, der als erster die Sonnenwinde beschrieben hatte. „Unsere Experimente bestätigen Parkers Theorie zur Entstehung dieser Plasmaströme“, sagt Peterson.

In weiteren Versuchen offenbarte Big Red Ball auch kleine, periodisch auftretende Plasmaausbrüche. Wenn das Plasma in der Kammer schnell genug rotierte und nicht mehr vom wirkenden Magnetfeld eingefangen wurde, kam es zu diesen Ausbrüchen. Sie gelten als zentrale Ursache für die langsamen Sonnenwinde, die noch nicht vollständig verstanden sind. „Diese Ausbrüche wurden auch von Satelliten beobachtet, doch niemand weiß, was sie antreibt“, sagt Peterson.

Schon die bisher an Big Red Ball durchgeführten Experimenten zeigten, dass sich wesentliche Prozesse des Sonnenwinds im Labor nachstellen lassen. In weiteren Versuchen will Peterson das derzeit genutzte Heliumplasma weiter optimieren, um dem natürlichen Plasma der Sonne noch näher zu kommen. Diese Experimente könnten weitere Details zur Entstehung und Ausbreitung der Sonnenwinde liefern. Völlig neue, ergänzende Einblicke erwarten Sonnenforscher weltweit von der Raumsonde Parker Solar Probe, die 2018 startete und etwa zu Weihnachten 2024 seinen sonnennächsten Punkte erreichen wird.