Highspeed-Kamera filmt erstmals winzige Plasma-Wirbel auf der Sonne

740 Aufnahmen in 1 s – und trotzdem zeigt die fertige Bildsequenz nur alle 2,7 s ein neues Bild. Was auf den ersten Blick nach einem technischen Widerspruch klingt, ist ein präziser physikalischer Kniff: Mit extremen Kurzzeitaufnahmen haben Forschende die störenden Einflüsse der Erdatmosphäre eliminiert. Das Ergebnis sind detailreiche Einblicke in die Photosphäre der Sonne – inklusive der Erstbeobachtung winziger Plasma-Wirbel.

Astronomische Beobachtungen von der Erde aus stehen vor einer zentralen Hürde: der Luftunruhe. Turbulenzen in unserer Atmosphäre brechen das Licht kontinuierlich und lassen feine Strukturen auf astronomischen Aufnahmen verschwimmen. Forschende am Daniel K. Inouye Solar Telescope auf Hawaii haben dieses Problem mit einer Kombination aus Highspeed-Kamera, adaptiver Optik und numerischen Rekonstruktionsverfahren gelöst.

Aus 2000 Rohbildern entsteht eine scharfe Aufnahme

Am 14. April 2025 richtete das Team das Teleskop für rund 3 min auf eine magnetisch aktive Region nahe eines Sonnenflecks. Zum Einsatz kam die sogenannte FastCam – eine gemeinsame Entwicklung des US-amerikanischen National Solar Observatory und des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung.

Die Kamera zeichnete einen Bildausschnitt mit einer Frequenz von bis zu 740 Bildern/s auf. Der Schlüssel lag in der Belichtungszeit: Jedes Einzelbild wurde lediglich 100 µs (1/10.000 s) belichtet. Durch diese kurzen Verschlusszeiten wurden die optischen Verzerrungen der Erdatmosphäre für einen Moment eingefroren.

Ein spezialisierter Algorithmus (Mehrbild-Blinddekonvolution) rechnete anschließend jeweils 2000 dieser kalibrierten Einzelbilder zu einer wissenschaftlichen Aufnahme zusammen. Die hohe Aufnahmerate diente somit nicht dazu, eine flüssige Videosequenz zu erzeugen, sondern die räumliche Auflösung maßgeblich zu steigern.

4-m-Spiegel erreicht seine physikalische Auflösungsgrenze

Das Daniel K. Inouye Solar Telescope verfügt über einen Hauptspiegel mit 4 m Durchmesser und gehört zu den leistungsfähigsten Sonnenteleskopen weltweit. Die große Öffnung sammelt nicht nur viel Licht, sondern ermöglicht auch ein hohes räumliches Auflösungsvermögen.

• Wellenlänge: Beobachtet wurde bei 416 nm im blauen Spektralbereich.
• Theoretisches Limit: Die sogenannte Rayleigh-Grenze liegt hier bei etwa 19 km auf der Sonnenoberfläche.
• Untersuchter Ausschnitt: Ein Bereich der Photosphäre von rund 5800 × 4350 km.

Die rekonstruierten Aufnahmen erreichten tatsächlich nahezu die theoretische Auflösungsgrenze von 19 km. Zum Vergleich: Die Sonne befindet sich knapp 150 Mio. km von der Erde entfernt. Auf diese Weise wurden Strukturen sichtbar, die mit kleineren Teleskopöffnungen unter 2 m bisher nicht eindeutig aufgelöst werden konnten.

Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten: Das Phänomen der rollenden Wellen

Durch die hohe Detailtiefe stieß das internationale Forschungsteam auf ein Phänomen, das in der Photosphäre der Sonne bisher noch nicht direkt nachgewiesen werden konnte: sogenannte Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten.

Das strömungsmechanische Phänomen tritt auf, wenn zwei angrenzende Schichten eines Fluids mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aneinander vorbeiströmen. An der Grenzfläche entsteht eine Scherung: Kleine Störungen wachsen an und rollen sich zu charakteristischen Wirbeln auf. Bekannt ist dieser Effekt unter anderem aus der Erdatmosphäre, aus Ozeanen sowie von den Gasplaneten Jupiter und Saturn.

Auf der Sonne strömt heißes Plasma aus den Konvektionszellen (Granulen) auf magnetische Feldkonzentrationen zu und wird dort seitlich abgelenkt. Da die Magnetfelder in dieser Region überwiegend senkrecht zur Sonnenoberfläche verlaufen, können sie die waagerechte Scherströmung kaum stabilisieren – es entstehen die beobachteten Wirbel.

Simulationen verdeutlichen Strömungen unter der Oberfläche

Da die Kamera lediglich Helligkeitsmuster erfasste und keine einzelnen Plasmateilchen verfolgen konnte, verglich das Team die Beobachtungen mit hochaufgelösten magnetohydrodynamischen Computersimulationen (dem MURaM-Code). Mit einer räumlichen Schrittweite von 3,2 km bildete die Simulation das Geschehen im Rechenmodell nach.

Die Berechnungen bestätigten die Interpretation: Die modellierten Wirbel und Helligkeitsstreifen erlaubten es den Forschenden, physikalische Größen wie Plasmageschwindigkeit und Magnetfeldverformung abzuleiten. Die theoretisch erwarteten Wellenlängen von 60 bis 100 km stimmten mit den Beobachtungen des Teleskops überein.

Relevanz für die Sonnenphysik

Die Ergebnisse liefern einen wichtigen Baustein zum Verständnis dynamischer Prozesse auf der Sonne. Wenn sich die Ränder magnetischer Flusskonzentrationen verformen und aufrollen, vermischen sie unterschiedlich stark magnetisiertes Plasma. Dabei können sie Masse, Energie, Impuls und magnetischen Fluss transportieren. Zudem legen die Simulationen nahe, dass die Wirbel turbulente Kaskaden auslösen und kleinere Sekundärwirbel erzeugen können.

Um diesen Anteil exakt zu bestimmen, muss in Folgestudien quantifiziert werden, wie viel Masse und Energie durch die Instabilitäten tatsächlich transportiert wird. Fest steht jedoch: An den magnetischen Grenzflächen der Photosphäre laufen hochdynamische Prozesse ab, die erst durch das Zusammenspiel aus 4-m-Teleskop, Hochgeschwindigkeitskamera, adaptiver Optik und numerischer Bildrekonstruktion auflösbar werden. Die Studie ist im Fachjournal Nature erschienen.

Quellen:

• Nature: Ubiquitous Kelvin–Helmholtz instabilities driving plasma mixing on the Sun
• Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung: Tiny Vortices Discovered on the Sun’s Surface
• National Solar Observatory: Inouye Solar Telescope Enables Major Discovery of a Hidden Solar Process
• National Solar Observatory: Technische Übersicht zum Inouye Solar Telescope