Ungelöstes Solar-Rätsel: Wie 1.000 Studenten dabei halfen, den Code zu knacken

Eine Gruppe von Physikern und fast 1.000 Studenten kamen zusammen, um die Antwort auf eine wichtige Frage über die Sonne zu finden: Warum ist ihre äußere Atmosphäre so heiß? Am Ende stellten sie fest, dass die Ursache wahrscheinlich nicht durch Sonneneruptionen verursacht wurde, wie die Leute angenommen hatten. Dies bedeutet, dass eine populäre Theorie der Astrophysik möglicherweise nicht wahr ist.

Eine Gruppe, die hauptsächlich aus Schülern des ersten und zweiten Schuljahres bestand, führte im Laufe von zwei Jahren ein unglaubliches Datenanalyseprojekt durch. Sie untersuchten die Physik von mehr als 600 Sonneneruptionen, bei denen es sich um riesige Energieausbrüche aus der heißen Außenatmosphäre der Sonne handelt.

Kürzlich veröffentlichte eine Gruppe von 995 College-Studenten ihre Ergebnisse in einer Zeitschrift namens The Astrophysical Journal. Ihren Untersuchungen zufolge sind Sonneneruptionen möglicherweise nicht die Ursache dafür, dass die Sonnenatmosphäre so heiß ist, was im Widerspruch zu den bisherigen Annahmen steht. Der leitende wissenschaftliche Forscher des Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University, James Mason, sagte, er wolle, dass die Studenten echte Wissenschaft erleben und nicht nur davon hören.

Heather Lewandowski, Mitautorin der Studie, sagte, dass viel Arbeit nötig sei, um diese Forschung zu ermöglichen. Viele Bachelor-Studenten haben dafür rund 56.000 Stunden harter Arbeit in Anspruch genommen. Sie fügte außerdem hinzu, dass alle, die an diesem Projekt beteiligt waren, großartige Arbeit geleistet haben. Heather arbeitet bei JILA, einem Wissenschaftsteam, das sich aus Leuten der CU Boulder und des National Institute of Standards and Technology (NIST) zusammensetzt.

Die Nanoflares-Theorie in Frage stellen

Astrophysiker stehen vor einem Rätsel, auf das sie gestoßen sind.

Teleskopbeobachtungen zeigen, dass die Sonnenatmosphäre (Korona) sehr heiß ist – mit Temperaturen von mehreren Millionen Grad Fahrenheit. Dies steht im Vergleich zu seiner Oberfläche, die mit nur Tausenden Grad Fahrenheit viel kühler ist.

Es ist, als würde man direkt vor einem Feuer stehen und je weiter man sich zurückzieht, desto heißer wird es tatsächlich – das macht überhaupt keinen Sinn!

Einige Wissenschaftler glauben, dass wirklich kleine Ausbrüche, sogenannte „Nanoflares“, dazu führen könnten, dass die äußere Schicht der Sonne heiß wird. Wir können sie mit Teleskopen nicht sehen, weil sie zu klein sind! Es wäre, als würde man versuchen, einen Topf Wasser mit Tausenden von Streichhölzern zu erhitzen – wenn all diese kleinen Streichhölzer zusammen erhitzt würden, würde es richtig heiß werden!

Doch einige Untersuchungen zeigen nun, dass diese Theorie möglicherweise nicht wahr ist. Daher können wir noch nicht sicher sagen, ob diese Nanoflares existieren oder nicht.

Mason hoffte, dass das Ergebnis anders ausfallen würde, er glaubte jedoch immer noch, dass Nanoflares für die Erwärmung der Korona sehr wichtig seien. Zu dieser Idee kamen jedoch Beweise hinzu, die zeigten, dass sie tatsächlich seinem Gedanken widersprechen könnte. Er erklärte, dass er, da er ein Wissenschaftler sei, auf jeden Fall den Fakten und Daten folgen müsse, zu denen er führe.

Sonnenrätsel lösen

Auf dem Höhepunkt der Coronavirus-Pandemie hatte Lewandowski ein Problem. Im Herbst unterrichtete sie einen Kurs mit dem Titel „Experimentalphysik I“, der auf praktischer Forschung basierte. Aber jetzt, da Universitäten wie die CU Boulder ihre Kurse online verlagerten, konnten ihre Studenten nichts mehr tun.

Lewandowski sagte, es sei eine schwierige Zeit, in der alle mit der Pandemie zu kämpfen hätten, sodass sich die Schüler sehr allein und ängstlich fühlten. Mason vom Labor für Atmosphären- und Weltraumphysik in Colorado schlug daraufhin eine Idee vor.

Der Wissenschaftler interessierte sich für die Beweise im Zusammenhang mit Sonneneruptionen. Er sammelte Daten von Tausenden von Sonnenflairs, die zwischen 2011 und 2018 mit zwei Instrumenten entdeckt wurden: der Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES)-Serie der National Oceanic and Atmospheric Administration sowie dem Miniature X-ray Solar Spectrometer (MinXSS) der NASA. MinXSS ist eine würfelförmige Mission, die am Labor für Atmosphären- und Weltraumphysik (LASP) entwickelt und gebaut wurde.

Mason und Lewandoski hatten zu viele Nanoflares, um sie alleine zu untersuchen. Deshalb baten sie die Schüler um Hilfe. Mason sagte ihnen, dass man Details über das Verhalten von Nanoflares herausfinden könne, indem man größere Flares untersucht, die von Wissenschaftlern seit Jahren beobachtet werden.

Die Studenten bildeten Dreier- oder Vierergruppen und wählten eine gewöhnliche Fackel aus, die sie während des Semesters beobachten wollten. Dann fanden sie nach vielen Berechnungen heraus, wie viel Wärme jede Eruption an die Sonnenatmosphäre abgeben könnte.

Alles in allem waren die Nanoflares nicht stark genug, um die Sonnenkorona superheiß zu machen, die Temperaturen von mehreren Millionen Grad Fahrenheit erreicht.

Ein Team talentierter Forscher löst das Rätsel der Sonneneruptionen und der koronalen Erwärmung!

Wissenschaftler wissen nicht, warum die äußere Schicht der Sonne, die sogenannte Korona, so heiß ist. Eine Theorie besagt, dass Energie aus dem Inneren der Sonne über eine Art Welle im Magnetfeld in ihre Atmosphäre gelangt.

Ein weiteres wichtiges Ergebnis dieser Forschung ist, dass junge Wissenschaftler und Ingenieure selten Gelegenheit hatten, etwas darüber zu lernen, wie wissenschaftliche Forschung im wirklichen Leben funktioniert – sie erfordert oft viel Teamarbeit und ist nicht immer perfekt!

Sie sagte, dass die Studenten auch nach Abschluss des Kurses noch auf den Fluren darüber redeten. Alle Schüler hatten eine starke Gemeinschaft geschaffen und sich gegenseitig in schwierigen Zeiten geholfen.

Ein Forscherteam hat am 9. Mai 2023 im Astrophysical Journal einen neuen Artikel veröffentlicht, der sich mit der koronalen Erwärmung und ihrem Zusammenhang mit Sonneneruptionen befasst. Ihre Forschung basierte auf der Untersuchung bestehender Fallstudien und ihre Ergebnisse könnten Aufschluss darüber geben, warum Sonneneruptionen auftreten. Das Team bestand aus vielen Leuten, darunter James Paul Mason, Alexandra Werth, Allison Youngblood, Donald Woodraska und vielen anderen talentierten jungen Wissenschaftlern. Sie hoffen, dass ihre Arbeit uns hilft, die Geheimnisse rund um die Energie und Erwärmung der Sonne noch besser zu verstehen.

Fünf Personen, Alexandra Werth, Colin West, Allison Youngblood, Donald Woodraska und Courtney Peck, haben gemeinsam eine neue Studie von CU Boulder verfasst. Alexandra ist Postdoktorandin am JILA; Colin arbeitet als Lehrprofessor für Physik; Allison ist Astrophysikerin am LASP und am Goddard Space Flight Center der NASA. Donald ist der Leiter des Data Systems-Teams bei LASP, während Courtney die Rolle des Data Systems Software Engineer sowohl bei LASP als auch beim Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences (CIRES) innehat.

Die NASA und die US-amerikanische National Science Foundation stellten Geld für die Studie bereit. Die Mittel kamen von der MinXSS-Mission, dem STROE Science & Technology Center und dem JILA Physics Frontier Center.