Als Galileo Galilei im Jahr 1610 zum ersten Mal dunkle Flecken auf der Sonne sah, hielt man sie für optische Störungen. Heute weiß man: Es handelt sich um reale Strukturen – kühlere, dunkle Regionen auf der Sonnenoberfläche, sogenannte Sonnenflecken, die Ausdruck extrem starker Magnetfelder sind. Diese Felder erreichen Stärken von mehreren Tausend Gauß – vergleichbar mit dem Magnetfeld eines modernen MRT-Geräts, nur dass sie Flächen umfassen, die größer sind als die Erde.

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Der Zusammenhang zwischen Sonnenflecken und Magnetismus wurde erstmals 1908 vom US-Astronomen George Ellery Hale am Mount Wilson Observatory nachgewiesen. Seither gelten Sonnenflecken als Schlüssel zur Erforschung des Sonnenaktivitätszyklus, der etwa alle elf Jahre seinen Höhepunkt erreicht – mit besonders vielen Flecken, Eruptionen und Ausbrüchen.

Dabei blieb eine entscheidende Frage lange unbeantwortet: Warum zerfallen diese gewaltigen Magnetstrukturen nicht – obwohl sie in einem Umfeld entstehen, das von Instabilität geprägt ist?

Sonnenflecken und Magnetfelder: Das ungelöste Gleichgewicht

Zwar wurde bereits in den 1970er-Jahren die Vermutung geäußert, dass sich in Sonnenflecken ein empfindliches Kräftegleichgewicht zwischen Magnetfeld und Gasdruck einstellt. Doch über Jahrzehnte hinweg fehlten die instrumentellen Möglichkeiten, diese Theorie zu überprüfen.

Ein zentrales Problem war die Messung selbst: Beobachtungen vom Boden aus sind durch die Turbulenzen der Erdatmosphäre stark gestört. Das Sonnenlicht wird verzerrt, seine spektralen Eigenschaften verfälscht – und mit ihnen die Informationen über Magnetfelder, Temperaturverteilungen oder Plasmaströmungen. Präzise Magnetfeldmessungen, wie sie für ein vollständiges physikalisches Modell erforderlich wären, waren so kaum möglich.

Forscher mussten deshalb auf Messungen aus dem All zurückgreifen, etwa auf Daten des Nasa-Satelliten Solar Dynamics Observatory (SDO) oder des japanischen Weltraumteleskops Hinode. Doch diese Missionen sind teuer, technisch komplex – und längst nicht in der Lage, die Sonnenoberfläche dauerhaft in der nötigen Detailtiefe zu überwachen.

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GREGOR-Teleskop bringt Durchbruch bei Sonnenfleckenforschung

Den lange gesuchten Zugang zum Inneren der Sonnenflecken hat nun ein Team vom Leibniz-Institut für Sonnenphysik (KIS) in Freiburg gefunden – mit Hilfe des Sonnenteleskops GREGOR, das auf 2.400 Metern Höhe am Teide-Observatorium auf Teneriffa betrieben wird. GREGOR gilt als das leistungsfähigste bodengebundene Sonnenteleskop Europas und ermöglicht Beobachtungen mit bisher unerreichter Detailtiefe.

Wie das Forschungsteam in einer aktuellen Studie in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ berichtet, sei es gelungen, eine bereits etablierte Technik zur Stokes-Polarimetrie entscheidend zu verbessern. Dieses Verfahren misst die Polarisation des Lichts, das von der Sonnenoberfläche ausgeht – und damit indirekt die Stärke und Struktur der Magnetfelder, durch die es hindurchtritt.

Die besondere Herausforderung dabei: Das Sonnenlicht wird auf seinem Weg durch die Erdatmosphäre gestört – durch Luftturbulenzen, Temperaturgradienten und andere Verzerrungen. Diese Störungen verfälschen die Messdaten – insbesondere bei bodengebundenen Teleskopen. Um diesen Einfluss auszuschalten, griff das Team auf eine Analyse- und Korrekturmethode zurück, die ursprünglich am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) entwickelt wurde – und verbesserte sie so weit, dass sich die atmosphärischen Effekte rechnerisch herausfiltern ließen.

„Die Genauigkeit unserer Magnetfeldmessungen entspricht nun der von Satellitenmissionen – aber zu einem Bruchteil der Kosten“, heißt es in dem Bericht. Damit werde erstmals gezeigt, dass hochpräzise Sonnenbeobachtung auch vom Boden aus möglich sei – unter der Voraussetzung, dass Optik, Software und Atmosphäre zusammengedacht werden.

Eine Schlüsselrolle spielt dabei ein Simulationsprogramm, das unter der Leitung von Dr. Juan Manuel Borrero am KIS entwickelt wurde. Es analysiert das polarisierte Sonnenlicht mithilfe der sogenannten inversen Radiativtransfertheorie – einer rechnergestützten Methode, mit der sich aus den beobachteten Lichtsignalen Rückschlüsse auf die Temperaturverteilung, den Gasdruck und die magnetischen Kräfte im Inneren eines Sonnenflecks ziehen lassen.

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Stabilität von Sonnenflecken: Magnetfelder im Gleichgewicht mit dem inneren Druck

Was bislang nur als theoretische Annahme galt, konnte nun erstmals mit dieser Methode empirisch belegt werden: Im Inneren stabiler Sonnenflecken herrscht ein fein austariertes Gleichgewicht zwischen Magnetfeld und Gasdruck. In dieser Konfiguration wirkten Magnetkräfte und Gasdruck genau gegeneinander – keine Kraft dominiere, beide hielten sich gegenseitig im Gleichgewicht. Diese Balance, so schreiben die Autoren in der Fachzeitschrift, verhindere, dass die Flecken unter dem enormen Druck des umgebenden Plasmas kollabieren oder auseinandergerissen werden.

„Wir sehen jetzt sehr deutlich, dass die magnetische Struktur nicht von außen stabilisiert wird“, erklärt Borrero. „Vielmehr hält sie sich selbst im Gleichgewicht – durch die genaue Balance der physikalischen Kräfte im Inneren.“ Dieses Gleichgewicht könne, so der Physiker, über viele Tage oder sogar Wochen hinweg stabil bleiben, sofern es nicht durch äußere Einflüsse – etwa durch benachbarte Feldausbrüche – gestört werde.

Sonnenflecken als Frühwarnsystem: Neue Chancen für die Weltraumwetterprognose

Die neuen Erkenntnisse sind nicht nur ein Fortschritt für die theoretische Sonnenphysik, sondern könnten auch ganz konkrete Anwendungen ermöglichen – etwa für die Frühwarnung vor solaren Stürmen. Denn Sonnenflecken sind mehr als nur magnetische Strukturen auf der Oberfläche der Sonne: Sie gelten als Indikatoren für bevorstehende Aktivitätsausbrüche. Vor allem dann, wenn ihre innere Stabilität ins Wanken gerät.

Instabile oder sich auflösende Flecken sind häufig mit Ereignissen wie Sonneneruptionen (Flares) oder koronalen Massenauswürfen (Coronal Mass Ejections, CMEs) verbunden. Diese können, je nach Intensität, zu massiven Störungen auf der Erde führen – etwa in der Satellitenkommunikation, der Luftfahrt oder den Navigationssystemen. In Extremfällen drohen sogar großflächige Stromausfälle, wie beim geomagnetischen Sturm von Québec im März 1989, bei dem das kanadische Stromnetz innerhalb von Sekunden zusammenbrach.

Durch die neue Methodik, so hoffen die Forscherinnen und Forscher, lasse sich künftig frühzeitig erkennen, ob ein Sonnenfleck sein inneres Gleichgewicht verliert – und damit potenziell gefährlich wird.