Riesenteleskop bildet erstmals Kelvin-Helmholtz-Instabilität auf der Sonnenoberfläche ab

Boulder (USA) – Mit einer spektakulären Beobachtung ist Forschern ein Durchbruch in der Sonnenphysik gelungen: Erstmals konnten sie die sogenannte Kelvin-Helmholtz-Instabilität (KHI) hochaufgelöst direkt auf der sichtbaren Sonnenoberfläche nachweisen.

Wie das Team um David Kuridze vom National Solar Observatory und Michiel van Noort vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) aktuell im Fachjournal „Nature“ (DOI: 10.1038/s41586-026-10871-3) berichtet, könnte die Entdeckung erklären, wie die Sonne ihre gewaltigen Energiemengen speichert und freisetzt – und damit neue Einblicke in die Entstehung von Sonneneruptionen, koronalen Massenauswürfen und letztlich des Weltraumwetters liefern.

Winzige Wirbel auf der Sonnenoberfläche

Möglich wurde die Entdeckung durch das Daniel K. Inouye Solar Telescope der US-amerikanischen National Science Foundation auf Hawaii – das derzeit größte Sonnenteleskop der Welt. Ein internationales Forschungsteam des National Solar Observatory (NSO), des NSF NCAR High Altitude Observatory sowie des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung analysierte hochaufgelöste Aufnahmen der Photosphäre, der sichtbaren Sonnenoberfläche.

Dabei entdeckten die Wissenschaftler zahllose kleine, wirbelartige Strukturen an den Rändern magnetischer Gebiete. Diese ähneln den Strömungsmustern, die entstehen, wenn sich zwei Flüssigkeits- oder Gasschichten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aneinander vorbeibewegen. Genau dieses physikalische Phänomen beschreibt die Kelvin-Helmholtz-Instabilität.

Zwar war die Existenz solcher Instabilitäten auf der Sonne seit Langem theoretisch vorhergesagt worden, doch fehlte bislang die räumliche Auflösung, um sie eindeutig nachzuweisen. Erst die Leistungsfähigkeit des Inouye-Teleskops machte die Beobachtung möglich.

Ein universelles physikalisches Phänomen

Die Kelvin-Helmholtz-Instabilität ist in der Physik seit rund 150 Jahren bekannt und nach Lord Kelvin sowie Hermann von Helmholtz benannt. Sie tritt überall dort auf, wo benachbarte Flüssigkeits- oder Gasschichten unterschiedlich schnell strömen. Kleine Störungen wachsen dabei zu charakteristischen Wellen oder Wirbeln heran.

Auf der Erde lässt sich dieses Phänomen beispielsweise in Wolkenformationen, an windgepeitschten Wasseroberflächen oder in den Ozeanen beobachten. Auch in den Atmosphären von Jupiter und Saturn sowie beim Zusammenwirken des Sonnenwinds mit planetaren Magnetfeldern wurde KHI bereits nachgewiesen.

Nun gelang erstmals der direkte Nachweis in der Photosphäre der Sonne.

Schlüssel zur Energie der Sonne?

Von besonderer Bedeutung ist die Entdeckung, weil die kleinen Plasmawirbel offenbar eng mit den Magnetfeldern der Sonne verknüpft sind. Nach heutiger Vorstellung entsteht die Energie großer Sonneneruptionen dadurch, dass sich Magnetfeldlinien ständig verdrillen und miteinander verflechten – ein Prozess, der als „Flux Braiding“ bezeichnet wird.

Lösen sich diese Spannungen plötzlich durch eine sogenannte magnetische Rekonnexion, werden enorme Energiemengen freigesetzt. Sie treiben Phänomene wie Flares, Jets oder koronale Massenauswürfe an, die das Weltraumwetter bestimmen und auf der Erde Satelliten, Stromnetze, Navigationssysteme und Kommunikationsinfrastruktur beeinträchtigen können.

Bislang war jedoch unklar, wodurch dieses ständige Verdrillen der Magnetfelder überhaupt angetrieben wird. Nach Ansicht der Forscher könnten die nun entdeckten Kelvin-Helmholtz-Wirbel genau diesen fehlenden Mechanismus darstellen. Da sie offenbar überall dort auftreten, wo ausreichend starke Magnetfelder vorhanden sind, könnten sie gewissermaßen den permanenten „Motor“ bilden, der die Magnetfeldlinien ständig verdrillt.

Beobachtungen und Simulationen stimmen überein

Um ihre Interpretation zu überprüfen, verglichen die Wissenschaftler die Beobachtungen mit hochentwickelten Computersimulationen der Sonnenatmosphäre. Dabei zeigte sich eine bemerkenswerte Übereinstimmung zwischen den realen Aufnahmen und den physikalischen Modellen.

In beiden Datensätzen fanden sich Dutzende nahezu identischer Wirbelstrukturen entlang magnetischer Feldgrenzen. Selbst charakteristische Eigenschaften wie der durchschnittliche Abstand der Wirbel – die sogenannte Instabilitäts-Wellenlänge – lagen sowohl in den Beobachtungen als auch in den Simulationen bei etwa 50 bis 65 Kilometern.

Darüber hinaus reproduzierten die Simulationen feinste dunkle Streifen sowie Verformungen der magnetischen Strukturen, die ebenfalls typisch für die Kelvin-Helmholtz-Instabilität sind. Zusammen mit theoretischen Berechnungen sehen die Autoren darin einen eindeutigen Nachweis des Phänomens.

Neue Hinweise zur millionengradheißen Sonnenkorona

Die Entdeckung könnte außerdem helfen, eines der größten Rätsel der Sonnenphysik zu lösen: Warum erreicht die äußere Sonnenatmosphäre – die Korona – Temperaturen von mehreren Millionen Grad, obwohl die sichtbare Sonnenoberfläche mit rund 5.500 Grad deutlich kühler ist?

Nach Ansicht der Forscher könnte die Kelvin-Helmholtz-Instabilität wesentlich zum Energietransport und zur Aufheizung der oberen Sonnenatmosphäre beitragen. Gleichzeitig sorgt sie offenbar für eine effiziente Durchmischung magnetisierten und unmagnetisierten Plasmas und beschleunigt so die Ausbreitung magnetischer Felder.

Dieser Prozess könnte auch erklären, weshalb sich das Magnetfeld der Sonne trotz ihres vergleichsweise kurzen elfjährigen Aktivitätszyklus wesentlich schneller verändert, als bisherige Modelle vorhersagen.

Künftig wollen die Wissenschaftler mithilfe automatisierter Auswerteverfahren die neu entdeckten Wirbel systematisch erfassen. Dadurch erhoffen sie sich ein noch besseres Verständnis darüber, wie Energie und Magnetfelder innerhalb der Sonne transportiert werden – und welche Prozesse letztlich das Weltraumwetter bestimmen, das auch die Erde beeinflusst.

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Recherchequelle: NSO.edu, MPS

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Andreas Müller

Fachjournalist Anomalistik | Autor | Publizist

Andreas Müller ist ein deutscher Kornkreis- und UFO-Forscher, Journalist, Autor und Publizist mit dem Schwerpunkt Anomalistik. Mehr erfahren (Wikipedia)