Eine kleine Sonne in einem Glas wirft Licht auf Sonneneruptionen

Rams Skibba

Seth Putterman begann aus Gründen der nationalen Sicherheit mit der Untersuchung des Verhaltens von Plasma. Extrem schnelle Hyperschallraketen erhitzen und ionisieren die umgebende Luft und bilden eine Wolke geladener Teilchen namens Plasma, die Radiowellen absorbiert und es den Bedienern am Boden erschwert, mit den Raketen zu kommunizieren – ein Problem, das Putterman zu lösen versuchte. Dann fiel ihm ein: Die gleiche Plasmaphysik gilt auch für unsere Sonne.

Der UCLA-Wissenschaftler und seine Kollegen haben nun das geschaffen, was Putterman „unsere Sonne in einem Glas“ nennt: eine mit Plasma gefüllte 1,2-Zoll-Glaskugel, die sie zur Modellierung von Prozessen wie denen verwendet haben, die Sonneneruptionen erzeugen. Hierbei handelt es sich um explosive Energieausbrüche, die manchmal von der Freisetzung eines Plasmaklumpens mit hoher Geschwindigkeit begleitet werden, der bei Satelliten im Orbit und Stromnetzen am Boden verheerende Folgen haben könnte. „Die Schritte, die wir unternehmen, werden die Modellierung beeinflussen, sodass eine Warnung und Bestimmung von Vorläufern des Weltraumwetters erfolgen kann“, sagt Putterman, der leitende Autor einer Studie in Physical Review Letters, die ihre Experimente beschreibt.

Die Sonne ist im Grunde ein wirbelndes Plasmainferno, das aus rotierenden, elektrisch geladenen Gasteilchen besteht – hauptsächlich Elektronen und Wasserstoffatomen, denen ihre Elektronen entzogen sind. (Sternplasma unterscheidet sich ein wenig von dem Plasma niedriger Dichte, das in Tokamak-Fusionsreaktoren verwendet wird.) Forscher versuchen seit langem, Sonneneruptionen besser zu verstehen, insbesondere für den Fall, dass ein besonders großer Plasmabrocken in Richtung Erde geschossen wird.

Die Experimente des Teams begannen damit, dass man etwas teilweise ionisiertes Schwefelgas in einen Glaskolben einfüllte und es dann mit niederfrequenten Mikrowellen – ähnlich denen, die in einem Mikrowellenherd verwendet werden – bombardierte, um das Gas anzuregen und es auf etwa 5.000 Grad Fahrenheit zu erhitzen. Sie fanden heraus, dass ein 30-kHz-Puls der Mikrowellen eine Schallwelle erzeugt, die einen Druck ausübt, der dazu führt, dass sich das heiße Gas zusammenzieht. Dieser Schallwellendruck erzeugt eine Art „akustische Schwerkraft“ und bewirkt, dass sich die Flüssigkeit so bewegt, als ob sie sich im sphärischen Schwerkraftfeld der Sonne befände. (Das Schwerkraftfeld des Experiments ist etwa 1.000-mal stärker als das der Erde.) Dadurch entsteht Plasmakonvektion, ein Prozess, bei dem warme Flüssigkeit aufsteigt und kühlere, dichtere Flüssigkeit zum Kern der Glaskugel sinkt. Auf diese Weise war das Team der erste Mensch auf der Erde, der etwas erzeugte, das der sphärischen Konvektion ähnelte, die normalerweise im Inneren eines Sterns zu finden ist.

Ihr Projekt wurde aufgrund seiner Anwendungen für Hyperschallfahrzeuge zunächst von DARPA, der fortschrittlichen Forschungsabteilung des Pentagons, finanziert. Dann erhielt es die Unterstützung des Air Force Research Laboratory, da das Weltraumwetter Flugzeuge und Raumfahrzeuge beeinträchtigen kann. Aber Astronomen glauben, dass es uns auch etwas Grundlegendes über das Verhalten der Sonne sagen kann. „Ich denke, die eigentliche Bedeutung besteht darin, mit der Simulation der Sonnenkonvektion im Labor zu beginnen und so Einblicke in den mysteriösen Sonnenzyklus der Sonne zu erhalten“, sagt Tom Berger, geschäftsführender Direktor des Space Weather Technology, Research, and Education Center an der Universität of Colorado in Boulder, der nicht an der Studie beteiligt war. Berger bezieht sich auf einen etwa 11-jährigen Zyklus, in dem die innere Konvektionszone der Sonne irgendwie aktiver wird, was dazu führt, dass die äußere Schicht oder Korona häufigere und intensivere Plasmaausbrüche und -explosionen erzeugt, die als koronale Massenauswürfe bezeichnet werden. Es sei schwierig, die inneren Bereiche der Sonne zu untersuchen, sagt Berger, obwohl die NASA dies mit einer Raumsonde namens Solar Dynamics Observatory versucht, die Schallwellen nutzt, um die Sonnenoberfläche zu kartieren und Rückschlüsse auf das Plasma darunter zu ziehen.

Andere auf diesem Gebiet loben die Forschung von Putterman und seinen Kollegen ebenfalls, weisen jedoch darauf hin, dass sie Einschränkungen aufweist. „Es ist eine aufregende und innovative Entwicklung. Sie ist clever gemacht. Es war schon immer eine Herausforderung, die innere Dynamik eines Sterns in einem Labor zu simulieren“, sagt Mark Miesch, Forscher am NOAA Space Weather Prediction Center und der University of Colorado.

WIRED-Mitarbeiter

Brenda Stolyar

Will Knight

Medea Jordan

Wissenschaftler haben lange darum gekämpft, Plasmakonvektion in einer Kugel zu erzeugen. In früheren Experimenten würde die Schwerkraft der Erde die Bewegung des Plasmas beeinflussen und die Versuche stören. Dies führte zu einem Vorläufer dieser Forschung, Geoflow, einem Projekt der Europäischen Weltraumorganisation, das 2008 zur Internationalen Raumstation gebracht wurde. Es erstellte ein experimentelles Modell dafür, wie Flüssigkeiten innerhalb eines Planeten fließen – was der Konvektion im Inneren von Sternen nicht so unähnlich ist. Putterman und sein Team haben gezeigt, dass es möglich ist, eine sphärische Konvektion zu erzeugen, ohne in die Mikrogravitation des Weltraums zu gehen.

Die Sonne in einem Glas hat jedoch einen wichtigen Mangel: Ihr fehlen Magnetfelder, ein entscheidendes Element von Flares und anderen Sonnenstürmen, sagt Miesch. Die Energie bei Sonnenstürmen stammt aus dem Magnetfeld der Sonne. Wenn der Sonnenzyklus sein Maximum erreicht – was in wenigen Jahren der Fall ist –, vermischen sich die Magnetfelder im Inneren der Sonne und es entstehen Röhren konzentrierter Magnetfelder, die an die Oberfläche steigen und Sonnenflecken erzeugen. Und aus diesen Regionen entstehen Flares und koronale Massenauswürfe. Für Putterman und seine Kollegen wird der Versuch, Magnetfelder in ihren Modellstern zu integrieren, Teil der nächsten Phase ihrer Forschung sein.

In der Zwischenzeit, sagt Putterman, finden er und seine Kollegen immer wieder neue Anwendungen für ihre Experimente. Dazu gehört die Untersuchung von Cepheidensternen, die periodisch heller und dunkler werden und deren regelmäßige Pulsationen als kosmische Meilensteine ​​fungieren, die es Wissenschaftlern ermöglichen, die Entfernungen zu anderen astronomischen Objekten zu bestimmen. „Es gibt viele Richtungen“, sagt Putterman. „Wir haben das Gefühl, dass wir einen Durchbruch in der Grundlagenforschung geschafft haben, und wenn man das schafft, hat es viele Tentakel, und diese erforschen wir gerne.“