Jetzt mal ehrlich: Wie sonnenähnlich ist die Sonne eigentlich?

Aber Sterne haben natürlich noch andere Eigenschaften, die sich vergleichen lassen. Eine davon ist die magnetische Aktivität. Sie hängt davon ab, wie stark und veränderlich das Magnetfeld des Sterns ist und wie es sich auf diesen und seine unmittelbare Umgebung auswirkt. Eine im Jahr 2020 in der Fachzeitschrift »Science« veröffentlichte Studie kam zu dem Schluss, dass die Sonne unter diesem Gesichtspunkt offenbar aus dem Rahmen fällt. Im Vergleich zu anderen sonnenähnlichen Sternen ist sie magnetisch weniger aktiv. Unser eigener Stern ist offenbar ein »Untererfüller«.

Magnetfelder sind äußerst komplexe Phänomene. Sie lassen sich jedoch auch bei Sternen fernab unseres Sonnensystems mit einer überraschend einfachen Methode untersuchen: durch die Beobachtung von Sternflecken – Sonnenflecken auf anderen Sternen.

Stark vereinfacht gesagt, entstehen Magnetfelder durch die Bewegung elektrisch geladener Teilchen, etwa Elektronen, Protonen oder ionisierten Atomen. Entscheidend ist dabei, wie sich diese Teilchen als Gruppe verhalten. Sind ihre Bewegungen kohärent, also nicht chaotisch, sondern stehen in einer festen, geordneten Beziehung zueinander , kann ein Magnetfeld entstehen. Bewegen sie sich dagegen ungeordnet, heben sich ihre magnetischen Beiträge weitgehend auf. Je kohärenter die Teilchen untereinander sind, desto stärker kann auch das Magnetfeld sein.

Die Sonne und ähnliche Sterne sind nicht einfach nur ein Wirrwarr aus glühendem Plasma. Sie besitzen innere Schichten, wie zum Beispiel einen Kern, in dem durch die Fusion von Wasserstoff zu Helium Energie erzeugt wird (siehe »Der Aufbau der Sonne«). Darüber steigt vom Kern erwärmte Materie auf, ähnlich wie warme Luft in der Erdatmosphäre, und strömt nach oben. Es gelangt bis an die »Oberfläche« des Sterns und strahlt dort Energie in den Weltraum ab. Dabei kühlt sich das Gas ab und sinkt wieder nach unten. Diesen Kreislaufprozess nennt man Konvektion – es ist wie ein Förderband für Wärme. In der Sonne bilden sich viele Tausende von solchen Säulen aus auf- und absteigendem Gas, die sogenannten Granulen. Sie sind auf der sichtbaren Oberfläche der Sonne, der Fotosphäre, gut sichtbar (siehe »Kein Schwarzes Loch«).

Dieses Gas ist jedoch heiß genug, dass Elektronen aus den Atomen herausgelöst werden. Es wird dadurch ionisiert und elektrisch leitfähig. Jeder dieser riesigen Türme aus aufsteigendem Material erzeugt daher ein eigenes Magnetfeld, das er bei seiner vertikalen Strömung mit sich zieht. Manchmal verflechten sich die Magnetfelder benachbarter Konvektionszellen miteinander, und wenn diese Verflechtungen die Oberfläche erreichen, verhindern sie, dass das Material problemlos wieder nach unten strömen kann. Es verweilt dann länger an der Oberfläche, wo es etwas stärker als gewöhnlich abkühlt. Da kühleres Gas weniger hell leuchtet, erscheinen diese Bereiche etwas dunkler als das umgebende Material. Das sind die bereits erwähnten Sternflecken. Und abgesehen davon, dass sie bedrohlich dunkel aussehen, sind sie vor allem Orte erhöhter magnetischer Aktivität.

Schatten auf fernen Sternen

Auf der Sonne sind Flecken leicht zu erkennen (siehe »Fleckenteppich«). Bei weit entfernten Sternen ist das wesentlich schwieriger, aber nicht unmöglich, denn Sterne drehen sich um ihre eigene Achse. Dadurch können Flecken, die in unser Blickfeld rotieren, den Stern aus der Ferne betrachtet leicht abdunkeln. Größere Flecken oder Fleckengruppen bewirken dabei eine stärkere Verdunkelung. Rotieren sie wieder aus dem Blickfeld heraus, hellt sich der Stern wieder auf. Mit einer sorgfältigen Messung der dadurch schwankenden Helligkeit des Sterns können wir seine Sternfleckenaktivität bestimmen – diese gilt als Indikator für sein Magnetfeld.

Die Aktivität eines Sterns zu verfolgen ist wichtiger, als man vielleicht denkt, denn das Magnetfeld ist nicht konstant. Die Sonne hat zum Beispiel einen etwa elfjährigen Zyklus, in dem die Stärke des Magnetfelds zu- und abnimmt. Wenn es stark ist, steigt die Zahl der Sonnenflecken. Am Höhepunkt des Zyklus ereignen sich auf der Sonnenoberfläche mehr Eruptionen sowie koronale Massenauswürfe (englisch: Coronal Mass Ejections, CMEs) – gewaltige Ausbrüche, bei denen Materie mit hoher Geschwindigkeit ins Sonnensystem hinausgeschleudert wird (siehe »Ausbruch auf der Sonne«). Liegt die Erde in der »Schussbahn«, können die Auswürfe unsere Satelliten und das Stromnetz erheblich beeinträchtigen. Das Verständnis der magnetischen Aktivität der Sonne ist deshalb auch für uns auf der Erde von großer Bedeutung.

Und genau hier zeigte die Sonne in der Studie aus dem Jahr 2020 ein ungewöhnliches Verhalten: Sie wies nicht so viel magnetische Aktivität auf wie vergleichbare Sterne. Vielleicht ist unser Heimatstern also ein magnetischer Schwächling.

Vielleicht ist unser Heimatstern ein magnetischer Schwächling

Die Sonne, ein ungewöhnlich ruhiger Stern?

Ein Team um die Astronomin Ângela R. G. Santos von der Universität Porto wollte dies genauer untersuchen. Dafür nutzte die Gruppe Daten des NASA-Satelliten Kepler, der mit sehr präzisen und regelmäßigen Helligkeitsmessungen an Hunderttausenden von Sternen nach Exoplaneten suchte. Wie sich herausstellte, lassen sich diese Messungen auch zur Suche nach Sonnenflecken nutzen.

Ihre Ergebnisse, die im Jahr 2023 in der Fachzeitschrift »Astronomy and Astrophysics« veröffentlicht wurden, schienen zunächst die Vermutung zu bestätigen: Im Vergleich zu anderen Sternen ist die Sonne tatsächlich weniger aktiv als andere Sterne mit vergleichbaren Eigenschaften, etwa hinsichtlich der Oberflächentemperatur und der Masse. Grenzte das Team den Bereich dieser Parameter jedoch stärker ein – indem sie beispielsweise nur Sterne betrachteten, deren Oberflächentemperatur höchstens 100 Grad Celsius von der der Sonne abwich –, stellte es fest, dass unser Heimatstern nur geringfügig weniger aktiv ist. Seine magnetische Aktivität lag dann durchaus im normalen Bereich. Die Sonne ist also ein sonnenähnlicher Stern und keineswegs außergewöhnlich ruhig, wenn man sie mit wirklich vergleichbaren Sternen gegenüberstellt.

Doch warum sind viele der anderen Sterne überhaupt magnetisch aktiver? Wenn sie der Sonne in ihren grundlegenden Eigenschaften ähneln, was sorgt dann für ihre stärkere Aktivität?

Schwere Elemente, starke Magnetfelder

Die Antwort fand das Team im Anteil schwerer Elemente, der sogenannten Metallizität. Als Metalle werden in der Astronomie alle Elemente schwerer als Wasserstoff und Helium bezeichnet. Die von Kepler beobachteten Sterne wiesen im Durchschnitt eine etwas höhere Metallizität auf. Sterne bestehen größtenteils aus Wasserstoff und Helium, mit viel geringeren Beimengungen an Elementen wie Eisen, Kohlenstoff und so weiter. Doch diese Spurenelemente können einen überproportional großen Einfluss auf die allgemeinen Eigenschaften eines Sterns haben.

Beispielsweise können schwere Elemente Wärme aus dem Kern besser absorbieren, was sich auf die Größe der Konvektionsschicht eines Sterns auswirkt. Ein höherer Anteil an schweren Elementen führt dadurch zu einer tieferen Konvektionsschicht, wodurch diese wiederum ein stärkeres Magnetfeld erzeugen kann.

Überraschenderweise wirkt sich die Metallizität auch auf die Rotation eines Sterns aus. Solche wie die Sonne stoßen einen Wind aus subatomaren Teilchen aus; im Falle der Sonne nennen wir ihn Sonnenwind. Während sich der Stern dreht, fängt das von der Oberfläche ausgehende Magnetfeld diesen Wind ein und reißt ihn mit. Dies übt einen Widerstand auf den rotierenden Stern aus und bremst ihn allmählich ab. Dieser Prozess ist umso ausgeprägter, je stärker das Magnetfeld ist. Und eine höhere Metallizität führt in der Regel zu einer höheren magnetischen Aktivität.

Es ist beruhigend zu wissen, dass die Sonne doch sonnenähnlich ist

Man kann sich das vorstellen, als würde man sich auf den Fersen drehen und dabei einen offenen Müllsack halten; der Sack wirkt wie ein Fallschirm und bremst einen ab. Ähnlich wirkt der magnetisch beeinflusste Teilchenstrom auf einen Stern. Über Millionen und Milliarden von Jahren kann dieser Prozess die Rotation des Sterns verlangsamen. Und tatsächlich stellten die Astronomen fest, dass Sterne mit stärkerem Magnetismus tendenziell auch langsamer rotieren.

Ein vergleichsweise geringer Unterschied im Anteil an schweren Elementen kann also weitreichende Folgen haben. Es geht also letztlich nicht so sehr darum, dass die Sonne nicht sonnenähnlich ist, sondern vielmehr darum, dass Astronomen beim Vergleich mit anderen Sternen ein wenig genauer nachrechnen müssen. Es ist beruhigend zu wissen, dass die Sonne doch sonnenähnlich ist. Und auch wenn das wie eine banale Frage erscheinen mag, offenbart sie doch viel faszinierende Wissenschaft von Sternen und ihrem Verhalten. Sie zwingt uns zudem dazu, unsere Annahmen zu hinterfragen – etwas, was jeder Wissenschaftler (und jeder Mensch) tun sollte.