Weltgrößtes Sonnenteleskop erwischt endlich das Sonnenplasma dabei, wie es das tut, was die Physik 1869 vorhersagte

Hier ist ein physikalischer Partytrick: Gleitet man zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aneinander vorbei, wellt sich die Grenze zwischen ihnen, kräuselt sich und rollt sich zu sauberen kleinen Wirbeln auf. Man nennt das die Kelvin-Helmholtz-Instabilität, ein Phänomen, das Ende der 1860er Jahre erklärt wurde, und es ist der Grund, warum Wind Wasser kräuselt und Wolken sich in welligen Reihen scheren. Jahrzehntelang vermuteten Wissenschaftler, dass das Plasma der Sonne dasselbe tut, aber niemand konnte es beweisen. Jetzt hat ein Team unter der Leitung von David Kuridze und Friedrich Wöger vom National Solar Observatory es nicht nur bestätigt – sie sagen, diese Wirbel sind überall auf der Sonnenoberfläche. Und das könnte unsere Vorstellung davon verändern, wie Wärme, Masse und magnetische Energie durch die Sonnenatmosphäre wandern.

Der Grund, warum diese Plasmawirbel so lange verborgen blieben, ist peinlich einfach: Sie sind winzig. Kleiner, als jedes Teleskop mit einem Spiegel unter 2 Metern auflösen kann. Für den größten Teil der Sonnenphysik-Geschichte schloss das jedes Teleskop auf der Erde aus. Betreten Sie das Daniel K. Inouye Solar Telescope, ein 4-Meter-Koloss auf Hawaii und das größte Sonnenteleskop der Welt, das im November 2021 seinen Betrieb aufnahm.

Am 14. April 2025 richtete Kuridzes Team es auf eine aktive Region nahe dem Zentrum der Sonnenscheibe und nahm Bilder bei 416 Nanometern mit einer Diagnosekamera auf, die vom National Solar Observatory und dem Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung gebaut wurde. Ihr Ziel war bescheiden: "beugungsbegrenzte Leistung erreichen", sagte Kuridze. Sie jagten keine Wirbel – sie wollten nur die Auflösung des Teleskops ausreizen. Je kürzer die Wellenlänge, desto feiner das Detail, also wählten sie 416 Nanometer, "im kleineren Teil des sichtbaren Spektrums".

Was sie bekamen, war ein Bonus jenseits eines coolen Testlaufs. Die Kamera knipste 740 Bilder pro Sekunde mit 100-Mikrosekunden-Belichtungszeiten. Zweitausend Bilder wurden mit mehrfacher blinder Entfaltung kombiniert, um atmosphärische Unschärfe zu entfernen, und erzeugten einen Film mit einem Bild alle zwei Sekunden und einer Auflösung von etwa 19 Kilometern – das theoretische Limit für einen 4-Meter-Spiegel bei dieser Wellenlänge.

"Als Nebenprodukt bekamen wir diese erstaunlichen Beobachtungen, die es uns ermöglichten, etwas zu sehen, das noch nie zuvor gesehen wurde", sagte Kuridze. Bei 416 Nanometern zeigt die Sonnenoberfläche Granulen – Konvektionszellen, die Wärme aus dem Inneren transportieren – durchsetzt mit intensiven Magnetfeldbündeln. In Bildern mit niedrigerer Auflösung sehen die Grenzen zwischen diesen magnetischen Regionen und der umgebenden Granulation glatt und verschwommen aus. In den DKIST-Daten sind sie ein Durcheinander von wirbelartigen Strukturen und feinen dunklen Streifen.

Das Team identifizierte 47 wirbeltragende Grenzflächen, mit benachbarten Wirbeln im Abstand von 60 bis 100 Kilometern. Einzelne Wirbel hatten einen Durchmesser von 25 bis 170 Kilometern, und die kleinsten lagen genau an der 19-Kilometer-Auflösungsgrenze – wir wissen also nicht, wie klein sie werden. Sie konnten sich in weniger als einer Minute verdoppeln und breiteten sich entlang der Grenzflächen mit 0,67 bis 3 Kilometern pro Sekunde aus.

Wenn man über einer dieser Grenzen schweben würde, sagt Kuridze, hängt die Sicht vom Timing ab. Zuerst kommt die lineare Phase: "entspannter, sehr gut organisiert, regelmäßig und schön", mit rollenden, wolkenartigen Strukturen. Dann trifft die nichtlineare Phase ein: "sehr chaotische Turbulenz".

Warum bilden sich Wirbel an diesen Grenzflächen? Es hängt alles mit der Richtung des Magnetfelds zusammen. Magnetfeldlinien wirken wie elastische Fäden durch das Plasma und widerstehen Biegung. Wenn sie entlang der Strömung liegen, unterdrücken sie die Instabilität. Wenn sie quer dazu verlaufen, tun sie nichts. In den starken magnetischen Regionen, die DKIST beobachtete, zeigt das Feld gerade nach oben, während die granularen Strömungen seitwärts fließen – die Fäden sind falsch herum gespannt, also wachsen Wirbel ungehindert.

Aber etwas zu sehen, das noch nie jemand gesehen hat, reicht nicht. "Alles sah so aus, als sollte es Kelvin-Helmholtz sein, aber natürlich ist das nicht genug", sagte Kuridze. Also führten sie Computersimulationen eines Photosphären-Ausschnitts von etwa 6 Megametern Seitenlänge mit 3,2-Kilometer-Gitterabstand durch, die mit tatsächlichen Daten gespeist wurden.