Sonnenteleskop GREGOR

Das im Mai 2012 eingeweihte Teleskop GREGOR zählt zu den leistungsfähigsten Sonnenteleskopen der Welt. Maike Pollmann sprach für unseren Podcast mit Carsten Denker vom Leibniz–Institut für Astrophysik in Potsdam, der an der Entwicklung des Sonnenobservatoriums beteiligt war. Hier finden Sie den Beitrag zum Nachlesen.

Die Sonne ist einer der am besten erforschten Himmelskörper im Weltall. Astronomen verstehen schon ziemlich genau, welche Physik auf dem uns nächsten Stern abläuft. Sie können die Vorgänge mit ihren theoretischen Modellen nicht nur sehr genau beschreiben, sondern die Sonne beinahe auf dem Computer simulieren.

Carsten Denker

Carsten Denker: „Das heißt, wenn ich alle mathematischen Formeln zusammennehme und daraus ein großes Computerprogramm schreibe, kann ich modellieren, was eigentlich auf der Sonne passieren sollte. Und diese Modelle oder numerischen Simulationen sind mittlerweile so gut, dass man Strukturen von zehn Kilometer Größe damit auf dem Computer anschauen kann. Aber wer sagt mir, dass diese Simulationen tatsächlich recht haben, dass es nicht einen Programmierfehler gibt oder aber viel schwerwiegender: dass es vielleicht grundsätzliche Probleme in unserem Verständnis der physikalischen Vorgänge auf unserer Sonne gibt.“

Um das herauszufinden brauchen die Forscher detaillierte Aufnahmen der Sonne. Seit Mai 2012 liefert GREGOR – das größte Sonnenteleskop Europas – genau diese Daten. Aufgebaut ist das Teleskop, das von einem deutschen Konsortium unter der Leitung des Kiepenheuer-Instituts für Sonnenphysik in Freiburg betrieben wird, auf einem 2400 Meter hohen Berg auf der Insel Teneriffa. Hier sind die Beobachtungsbedingungen optimal, denn es scheint nicht nur oft die Sonne, auch die Luft über dem Teleskop ist besonders ruhig. Die Sonnenstrahlen werden auf ihrem Weg durch die Atmosphäre so vergleichsweise wenig beeinträchtigt.

„Wenn Licht von der Sonne ausgesendet wird, handelt es sich dabei um eine Kugelwelle. Diese Lichtwelle braucht etwa acht Minuten bis sie auf die Erde trifft. Natürlich wird dann aus der Kugelwelle fast schon eine ebene Welle. Diese trifft dann auf die Luft – die Luft hat unterschiedliche Temperaturen. Und diese erzeugen einen unterschiedlichen Brechungsindex, sodass die ebene Wellenfront verbogen wird – als würde man ein Blatt Papier zerknittern.“

Adaptive Optik bringt Schärfe

Die Folge sind unscharfe Bilder. Tatsächlich würde die räumliche Auflösung des 1,5-Meter-Teleskops aufgrund solcher Störeffekte der eines 10-Zentimeter-Teleskops entsprechen – ein Amateur könnte die Sonne im Prinzip also genauso gut beobachten. Um dieses Manko auszugleichen, setzen die Astronomen bei GREGOR eine adaptive Optik ein.

„Was die adaptive Optik nun macht: Sie misst die Verformung der Wellenfront und gibt diese Signale dann weiter an einen Spiegel, einen deformierbaren Spiegel, der die Wellenfront wieder gerade biegt. Wenn man nun durch das Teleskop schaut und Aufnahmen mit CCD–Kameras macht, kann man eigentlich genauso gut beobachten wie aus dem Weltraum.“

Sonnenteleskop GREGOR

Dabei lässt sich jeweils eine Region bis etwa zu der Größe eines Sonnenflecks scharf abbilden. Selbst fünfzig Kilometer messende Strukturen werden auf solchen Detailaufnahmen sichtbar. Mit ihren hochauflösenden Kameras können die Astronomen einige Dutzend Bilder pro Sekunde machen.

„Diese zeitliche Auflösung ist wichtig, um sich dynamische Prozesse auf der Sonne anzuschauen – zum Beispiel was mit den Magnetfeldern passiert, wie sie sich entwickeln, wie Sonnenflecken entstehen, wie Sonnenflecken vergehen und wie sie zerfallen. Das sind Fragestellungen, die man einfach nur mit Bildern beantworten kann. Für ein tieferes physikalisches Verständnis brauchen wir aber Spektrografen.“

Diese Instrumente fächern das Sonnenlicht in seine Spektralfarben auf. Trägt man die Intensität des Lichts nun gegen die entsprechende Wellenlänge auf, ergibt sich das Lichtspektrum der Sonne. Aus der genauen Lage, der Intensität und Breite der verschiedenen Spektrallinien im Sonnenspektrum leiten die Forscher dann ab, welche Physik sich auf unserem Zentralstern abspielt.

„Wir können messen, wie sich das Plasma bewegt, und so beispielsweise sehen, ob sich Plasmablasen auf uns zu- oder von uns wegbewegen. Wenn wir die Polarisation des Lichtes messen, können wir aber auch herausfinden, wie stark Magnetfelder auf der Sonne sind und in welche Richtung sie zeigen.“

Auf der Suche nach Sonnenzwillingen

Bei nahezu allen Prozessen auf der Sonne kommt Magnetfeldern eine zentrale Rolle zu. Nicht zuletzt treiben sie gewaltige Sonneneruptionen an, die teils heftige Sonnenstürme zur Folge haben. Fegen solche Partikelströme über die Erde hinweg, können sie beispielsweise Strom– und Telekommunikationsnetze lahmlegen. Deshalb sind Wissenschaftler bemüht, das Weltraumwetter möglichst früh vorherzusagen. Da GREGOR nur einen winzigen Teil der Sonne im Blick hat, eignet er sich zwar nicht für eine globale und direkte Prognose von Sonnenstürmen. Doch lassen sich mit den Daten vielleicht die Vorboten von Sonneneruptionen aufspüren.

„In einem kleinen Gebiet auf der Sonne können wir sehr genau schauen, was dort passiert – und vielleicht finden wir sozusagen Fingerabdrücke, anhand derer man sagen kann: Wenn das passiert, wenn ich diese Magnetfeldkonfiguration sehe, dann wird es mit hoher Wahrscheinlichkeit einen Strahlungsausbruch geben. Dieses Wissen kann man dann in globale Beobachtungen der Sonne einbringen.“

Sonnenfleck im Blick von GREGOR

Weltraumteleskope könnten dann genau nach diesen Signaturen suchen. Eine weitere spannende Frage, der die Forscher mit GREGOR nachgehen wollen, betrifft die Temperaturverteilung auf der Sonne: In ihrem Kern wird bei etwa 15 Millionen Grad Celsius Energie durch Kernfusion erzeugt. Diese Energie wird an die Oberfläche transportiert, die rund 6000 Grad Celsius heiß ist. Doch weiter draußen, in der Korona, herrschen wieder Temperaturen von mehr als einer Million Grad. Wie die Hitze dorthin gelangt, ist bislang noch ein Rätsel.

„Was infrage kommt, sind sogenannte magnetoakustische Wellen, also Wellen, die sich wie Schall auf der Erde ausbreiten, aber eben auch mit dem Magnetfeld wechselwirken. Die Mechanismen dahinter sind noch nicht verstanden und stellen ein zentrales Gebiet für die Forschung mit GREGOR dar.“

Und wenn die Sonne untergeht, steht das Sonnenteleskop trotzdem nicht still. Im Gegensatz zu anderen Teleskopen für Nachtbeobachtungen müssen sich die Forscher an GREGOR die Beobachtungszeit nicht teilen. Das heißt, sie können sich Projekte überlegen, für die man sehr viel Zeit braucht. Eines davon ist die Suche nach Zwillingen der Sonne. Denn von den Milliarden Sternen in der Milchstraße kennen Astronomen bisher nur zwei, die der Sonne gleichen. Die Ursache für diese magere Ausbeute liegt in der vergleichsweise geringen Leuchtkraft der Sonne. Um ihre Zwillinge aufzuspüren, braucht man also entweder sehr leistungsstarke Teleskope – oder aber lange Beobachtungszeiten.

„Wir wollen eine Durchmusterung machen, also ganz viele schwache Sterne anschauen, Spektren von ihnen aufnehmen und gucken: Sind das Zwillinge der Sonne? Denn im Moment sehen wir nur, wie die Sonne heute aussieht. So lässt sich schwer beantworten, wie die Sonne vor einer Milliarde, zwei Milliarden oder drei Milliarden Jahren war. Wenn wir allerdings Sonnenzwillinge kennen, die zu einer unterschiedlichen Zeit geboren wurden, können wir uns anschauen, wie die Sonne vielleicht vor einer Milliarde Jahre ausgesehen hat und womöglich auch, wie die Sonne in der Zukunft aussehen wird.“

Neuen Phänomenen auf der Spur

Neben den anvisierten Forschungszielen, hoffen die Forscher dank der bisher unerreichten Auflösung von GREGOR auch Phänomenen auf die Spur zu kommen, die bisher noch niemand vorhergesagt hat.

„Und ich denke mit GREGOR kommt man tatsächlich dorthin, wo neue Phänomene auf der Sonne zu entdecken sind. Und wenn Sie mich fragen, was sind das für Phänomene, muss ich Ihnen antworten: Weiß ich nicht. Das ist ja gerade das Spannende. Wir hoffen, dass es etwas Neues gibt und nicht sozusagen nur das Alte mit noch besseren Instrumenten noch genauer, noch besser nachgewiesen werden kann. Und das werden wir sehen in den nächsten, ich denke, zwei, drei Jahren.“

Oberflächenschichten der Sonne

Dann dürfte sich auch zeigen, ob die hochgenauen Messungen von Gasströmungen und Magnetfeldern auf der Sonne mit den gegenwärtigen Theorien übereinstimmen. Numerischen Simulationen zufolge soll beispielsweise der größte Teil der Wechselwirkung zwischen dem solaren Plasma und dem Magnetfeld auf räumlichen Skalen von etwa siebzig Kilometern stattfinden. Mit GREGOR lassen sich Theorie und Beobachtung nun endlich auch in diesen Größenbereichen abgleichen.

„Wenn wir Glück haben, stimmt alles. Wenn wir Pech haben, dann müssen wir unsere Gehirne noch einmal ein bisschen mehr anstrengen und gucken, warum es denn nicht funktioniert. Und beide Möglichkeiten sind eigentlich interessant: Das eine wäre eine tolle Bestätigung der Theorie, das andere würde dann die Theoretiker herausfordern, sich noch einmal tiefere Gedanken über unsere Sonne zu machen.“