Für die meisten Menschen steht die Sonne beim sommerlichen Wetterbericht im Fokus – oder, wie heute Abend, bei einer Sonnenfinsternis. Doch unser Tagesgestirn spendet nicht nur lebensnotwendiges Licht und Wärme: Seine energiereichen Materieausbrüche können Satelliten beschädigen, Funkverbindungen stören und im Extremfall sogar Stromnetze lahmlegen. Der Sonnenwind wiederum erfüllt das gesamte Planetensystem mit elektrisch geladenen Teilchen und beeinflusst so das Weltraumwetter, dem Raumsonden, Astronauten und technische Infrastruktur ausgesetzt sind. Beide Phänomene beschäftigen die Sonnenforschung seit Jahrzehnten – doch ihre eigentlichen Ursachen blieben bislang im Verborgenen. Der Grund dafür ist einfach: Die entscheidenden Prozesse spielen sich offenbar in so kleinen Dimensionen ab, dass sie bislang gar nicht beobachtet werden konnten.

Das hat sich dank neuer Teleskope und empfindlicher Instrumente geändert: So ist es jetzt einer internationalen Astronomengruppe mit dem Daniel K. Inouye Solar Telescope (DKIST) auf Hawaii erstmals gelungen, Strukturen von nur rund 20 Kilometer Größe auf der sichtbaren Sonnenoberfläche, der rund 5800 Grad heißen Photosphäre, zu beobachten. Auf der 1,4 Millionen Kilometer durchmessenden und 150 Millionen Kilometer entfernten Sonne sind diese kaum größer als ein Staubkorn. „Das ist an der Grenze dessen, was selbst das weltgrößte Sonnenteleskop und modernste Simulationen leisten können“, sagt Michiel van Noort vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen, Ko-Autor der in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlichten Studie.

Kleine Strukturen haben große Auswirkung

Die Strukturen erscheinen als winzige Wirbel an den Rändern von bis zu 2000 Kilometer großen Konvektionszellen, in denen heißes Plasma aus dem Sonneninneren aufsteigt und nach wenigen Minuten wieder absinkt. Die Gruppe um David Kuridze vom National Solar Observatory im US-Bundesstaat Colorado vermutet, dass genau diese Wirbel die allgegenwärtigen Magnetfelder der Sonne verdrillen – ähnlich einem Gummiband, das immer weiter aufgezogen wird. Wird die Spannung zu groß, reißen die Magnetfeldlinien und setzen die gespeicherte Energie schlagartig frei: Eine Sonneneruption entsteht. „Die Plasmawirbel zeigen auf beeindruckende Weise, wie kleinste Prozesse das Verhalten unseres Sterns bestimmen“, sagt Sami Solanki, Direktor des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung.

Das weltweit größte Sonnenteleskop auf Hawaii kann jedoch nur den Beginn des Sonneneruptionsprozesses verfolgen. Selbst an seinem Standort in über 3000 Meter Höhe stört die Erdatmosphäre die Beobachtungen, höchste Bildschärfe lässt sich deshalb nur für kurze Zeit erreichen. Für längere Beobachtungen müssen die Forscher buchstäblich über die Atmosphäre hinausgehen: Im Sommer 2024 ließ eine internationale Forschergruppe unter Leitung des MPS das Ballonobservatorium Sunrise III bis auf 37 Kilometer Höhe aufsteigen. Dort konnte es die Chromosphäre beobachten – jene wenig erforschte Schicht oberhalb der Photosphäre, in der sich die Magnetfelder weiter aufschaukeln. Während des sechseinhalbtägigen Fluges ereignete sich ein starker Strahlungsausbruch der zweithöchsten Kategorie. Ein Glücksfall für die Astronomen, dank dessen die Instrumente von Sunrise III unmittelbar verfolgen konnten, wie die Magnetfelder während der Eruption ihre Energie freisetzten. Aber selbst in vermeintlich ruhigen Regionen stießen die Wissenschaftler auf Überraschungen. Wie sie in den „Astrophysical Journal Letters“ schreiben, entdeckten sie stark verdrillte Magnetfeldstrukturen – regelrechte „Sonnentornados“ –, in denen sich das heiße Plasma mit hoher Geschwindigkeit bewegt.

Winzige Ausbrüche entgehen der Beobachtung

Diese Tornados könnten eine wichtige Zwischenstufe zwischen den kleinen Wirbeln auf der Sonnenoberfläche, die man mit dem DKIST-Teleskop entdeckt hat, und den Eruptionen in höheren Atmosphärenschichten darstellen. Zur Entstehung des permanent wehenden, moderaten Sonnenwinds lieferte schließlich vor einigen Monaten die europäische Raumsonde Solar Orbiter neue Erkenntnisse. Seit 2020 umkreist sie die Sonne auf einer elliptischen Umlaufbahn. Ein Astronomenteam um Lakshmi Chitta, ebenfalls vom MPS, identifizierte auf Ultraviolettaufnahmen des Orbiters winzige Energieausbrüche, die zuvor allen Beobachtungen entgangen waren und nur vom All aus nachweisbar sind. Die Forscher tauften sie „Picoflares“: Jede einzelne dieser Minieruptionen setzt nur ein Billionstel der Energie einer gewöhnlichen Sonneneruption frei. Doch offenbar treten Picoflares so häufig auf, dass sie gemeinsam einen großen Teil des Sonnenwinds erzeugen können. Nach seiner Quelle fahnden Astrophysiker jetzt seit mehr als einem halben Jahrhundert. Die jüngsten Ergebnisse zeigen, dass die stärksten Ausbrüche der Sonne ihren Ursprung offenkundig in den kleinsten Sonnenstrukturen haben können.

Die Sonnenforschung entwickelt sich rasant – und auch die heutige Sonnenfinsternis, die in Teilen Spaniens und Islands zu einer vollständigen Bedeckung führen wird, hilft dabei. Forscher wollen sie nutzen, um ihr Wissen über die Sonnenkorona zu überprüfen. Diese nur bei einer totalen Finsternis sichtbare, extrem dünne und ausladende, aber mehrere Millionen Grad heiße Plasmahülle verbindet die Sonnenatmosphäre mit dem interplanetaren Raum, und aus ihr beziehen sowohl der Sonnenwind als auch die explosiven solaren Ausbrüche ihre Energie. Mithilfe des Solar Orbiter wollen die Physiker das Aussehen der Korona während der Sonnenfinsternis vorhersagen und mit Beobachtungen vom Erdboden vergleichen. Dabei wollen sie unter anderem die Frage beantworten, wie sich die Korona auf ihre extreme Temperatur heizt – und wie genau sie mit Chromosphäre und Photosphäre in Verbindung steht.