Wissenschaftler entdecken das Höchste

Das energiereichste Licht, das jemals von der Sonne ausging, wurde gerade entdeckt und stellt Sonnenphysiker vor ein neues Rätsel, das es zu lösen gilt.

Eine sechsjährige Beobachtungskampagne von mehr als 30 Institutionen in Nordamerika, Europa und Asien hat zum ersten Nachweis solarer Gammastrahlung im Teraelektronenvolt (TeV)-Bereich geführt.

Aber anders als man vielleicht erwarten würde, hing dies nicht mit einer erhöhten Sonnenaktivität zusammen; oder tatsächlich irgendeine Sonnenaktivität. Vielmehr war die Sonne zum Zeitpunkt der Entdeckung ziemlich ruhig, und unsere aktuellen Modelle der Sonne können dies nicht ganz erklären.

Die Sonne ist der am intensivsten untersuchte Stern im Kosmos. Wir haben Beobachtungen, die das gesamte Spektrum abdecken, von niederfrequenten Radiowellen bis hin zum energiereichsten Licht im Universum, der Gammastrahlung. Dennoch wissen wir vieles nicht über unseren Heimatstar. Details über seine Prozesse entziehen sich uns immer noch.

Wir wissen, dass Magnetfelder wichtig sind und bei praktisch der gesamten Sonnenaktivität, die wir beobachten, eine entscheidende Rolle spielen, aber die Mechanismen dabei sind kaum verstanden. Wir untersuchen das von der Sonne emittierte Licht, um ein tieferes Verständnis zu erlangen.

Das High Altitude Water Cherenkov (HAWC)-Observatorium in Mexiko ist eines der Instrumente, mit denen wir die Gamma- und kosmische Strahlung aus dem Weltraum untersuchen, die mit der Erdatmosphäre kollidiert.

Die Atmosphäre verhindert, dass diese Strahlung uns erreicht, aber dadurch können hochenergetische Teilchen entstehen, die im Dunkeln erkannt werden können und deren ursprüngliche Gammastrahlenenergie und -richtung aus dieser Erkennung berechnet werden können.

„HAWC gehört zu den wenigen Detektoren, die in der Lage sind, die Sonne im TeV-Bereich zu beobachten“, schreibt die internationale HAWC-Kollaboration, die die Forschung durchgeführt hat. „Sein großes Sichtfeld und sein hoher Lebenszeitanteil ermöglichen eine kontinuierliche Belichtung, während die Sonne über den Himmel wandert.“

In den mit HAWC zwischen 2014 und 2021 gesammelten Daten stellten die Forscher Emissionen zwischen 0,5 und 2,6 TeV (ein TeV entspricht einer Billion Elektronenvolt) fest, die aus Richtung der Sonne kamen. Ihre neue Analysepipeline ergab, dass diese Emission mit einer Wahrscheinlichkeit von 6,3 Sigma von der Sonne stammte.

Es ist nicht das energiereichste Licht, das jemals im Weltraum gesehen wurde. Dieser Rekord gehört zu einer Beobachtung von 450 TeV-Gammastrahlen, die vor einigen Jahren aus der Richtung des Krebsnebels kamen. Aber es ist ein neuer Hit für unseren eigenen Star.

„Nachdem wir die Daten aus sechs Jahren untersucht hatten, kam dieser Überschuss an Gammastrahlen zum Vorschein“, sagt Mehr Un Nisa, Astroteilchenphysiker an der Michigan State University.

„Als wir es zum ersten Mal sahen, dachten wir: ‚Das haben wir definitiv vermasselt. Die Sonne kann bei diesen Energien nicht so hell sein.‘“

Wir wissen, dass die Sonne manchmal laut wird. Es schlägt mit Sonneneruptionen und koronalen Massenauswürfen zu. Aber die Sonne strahlt nicht nur Licht aus. Es wird auch davon getroffen. Kosmische Strahlung aus der größeren Galaxie strömt ständig durch den Weltraum. Hier auf der Erde interagieren diese kosmischen Strahlen mit der Atmosphäre und erzeugen ein Gammastrahlenglühen.

Es wird angenommen, dass ein ähnlicher Prozess auf der Sonne stattfindet. Galaktische kosmische Strahlung kollidiert im Gigaelektronenvolt-Bereich (1 Milliarde Elektronenvolt) mit Kernen in der Sonnenatmosphäre.

Das Team geht davon aus, dass die TeV-Emission wahrscheinlich ein Ergebnis dieser Wechselwirkung ist. Sie warfen auch einen Blick auf die GeV-Daten, die von HAWC und dem Gammastrahlen-Weltraumteleskop Fermi LAT der NASA gesammelt wurden, und stellten fest, dass die GeV-Emission während der Ruhephasen der Sonne heller und zahlreicher war als erwartet.

Was wir nicht wissen, ist, wie die Emission so hell wird. Es entspricht nicht den theoretischen Modellen. Wenn man bedenkt, wie mies die Sonne mit ihren magnetischen Feldern ist, ist es wahrscheinlich, dass sie eine Rolle spielen. Tatsächlich wurde in einem Anfang des Jahres veröffentlichten Artikel vorgeschlagen, dass die solaren Magnetfelder als Beschleuniger für Elektronen der kosmischen Strahlung fungieren, um Synchrotron-Gammastrahlung zu erzeugen.

Um genau zu bestimmen, wie dies erreicht wird, müssen jedoch weitere Modellierungen durchgeführt werden.

„Modelle der Wechselwirkungen kosmischer Strahlung in der Sonne … sagen den beobachteten Gammastrahlenfluss der Sonne im GeV-Bereich bereits unzureichend voraus“, schreibt die HAWC-Kollaboration. „Unsere Beobachtungen unterstreichen die Notwendigkeit eines überarbeiteten Rahmens, der den anomalen Überschuss an Gammastrahlen der Sonne auch im TeV-Bereich erklären kann.“

Die Forschung wurde in Physical Review Letters veröffentlicht.