Neue Erkenntnisse über die Entstehung der Penumbra in Sonnenflecken

Der Einfluss von Magnetfeldern auf der Sonnenoberfläche (~6000 K) ist am deutlichsten in Sonnenflecken zu erkennen. Diese bestehen aus einer filamentartigen Penumbra (~5000 K), die eine dunklere Umbra (etwas kühler bei ~4000 K) umschließt. Die Sonnenoberfläche wird durch Konvektion erhitzt, welche heißes Material aus tieferen Schichten nach oben bringt. Die unterschiedlichen Bereiche in Sonnenflecken entstehen durch unterschiedliche Magnetfeldkonfigurationen, die wiederum verschiedene Formen des konvektiven Wärmetransports nach sich ziehen. Studien über voll entwickelte Sonnenflecken mit Daten vom Hinode-Satelliten haben gezeigt, dass die vertikale Magnetfeldkomponente beim Übergang von Umbra zu Penumbra immer den gleichen Wert hat.

Von rechts nach links: Intensität im G-Band, Stärke des Magnetfelds, Neigung des Magnetfeldvektors. Die drei Reihen zeigen drei Momentaufnahmen einer sich bildenden Penumbra, die jeweiligen Zeitpunkte sind in der oberen linken Ecke der Intensitätskarten angegeben. Die Daten wurden am 4. Juli 2009 am VTT aufgenommen. Die orangenen, roten und blauen Konturen markieren einen jeweiligen Intensitätsschwellwert von 50%, 55% und 60% der Intensität der ruhigen Sonne.

Der Magnetfeldvektor am äußeren Rand eines sich bildenden Sonnenflecks verändert sich im Laufe der Zeit. Diese Veränderungen an der Grenze zwischen Umbra und Penumbra wurden nun im Detail in spektropolarimetrischen Beobachtungen untersucht, die am VTT auf Teneriffa aufgenommen wurden.

Für die Entstehung einer Penumbra sind demnach beinahe horizontale Magnetfelder am äußeren Rand des sich bildenden Sonnenflecks erforderlich, also Magnetfelder, die parallel zur Sonnenoberfläche ausgerichtet sind. Während der Entstehung einer Penumbra verschiebt sich die Grenze zwischen Umbra und Penumbra hin zu Regionen, die zuvor von der Umbra eingenommen wurden, bis der (immer gleiche) Schwellwert der vertikalen Komponente des Magnetfelds erreicht wird.

Diese Entdeckung ist von zentraler Bedeutung für unser Verständnis des Magnetfelds auf der Sonnenoberfläche: Klassisch wird die Grenze zwischen Umbra und Penumbra durch einen Intensitätsschwellwert festgelegt. An dieser Grenze wechselt die Art der Magnetokonvektion vom umbralen zum penumbralen Typus. Nach über 100 Jahren der Erforschung von Sonnenflecken stellt sich nun heraus, daß diese Grenze einer eindeutigen magnetischen Eigenschaft zuzuordnen ist: einem festen Wert der vertikalen Komponente der Magnetfeldstärke.