NJIT-Physiker klären den Mechanismus der Gammastrahlungs-Erzeugung bei starken Sonnenfinsternissen

Solarphysiker des New Jersey Institute of Technology’s Center for Solar-Terrestrial Research (NJIT-CSTR) haben einen bedeutenden Durchbruch erzielt: Sie konnten die Quelle der intensivsten Gammastrahlung, die während heftiger Sonneneruptionen auftritt, eindeutig identifizieren. Diese bahnbrechende Erkenntnis, publiziert in der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“, löst ein langwieriges wissenschaftliches Rätsel bezüglich der anomaler Strahlungssignale, die bei solchen solaren Ereignissen beobachtet wurden.

Im Fokus der Untersuchung stand eine Sonneneruption der Klasse X8.2, die sich am 10. September 2017 ereignete. Die detaillierte Analyse der Daten ermöglichte es den Forschern, eine Ansammlung von Trillionen Teilchen in der Sonnenkorona zu lokalisieren, genauer gesagt in der sogenannten Region of Interest 3 (ROI 3). Diese Partikel weisen Energien auf, die mehrere Millionen Elektronenvolt (MeV) erreichen. Mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit unterwegs, übertreffen diese Teilchen die Energie typischer Eruptionsteilchen um das Hundert- bis Tausendfache. Die Wissenschaftler stellten fest, dass der entscheidende Mechanismus für die Erzeugung der Gammastrahlung die Bremsstrahlung ist – ein Prozess, der durch die Kollision dieser hochenergetischen Elektronen mit dem Material der Sonnenatmosphäre ausgelöst wird.

An dieser wegweisenden Arbeit waren führende Experten beteiligt, darunter der Physikprofessor und Hauptautor Gregory Fleishman sowie der Direktor von EOVSA, Bin Chen, der als Mitautor fungierte. Um solche präzisen Ergebnisse zu erzielen, wurde eine intelligente Kombination von Datenquellen genutzt: das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA und der bodengestützte Radiointerferometer des NJIT, das Expanded Owens Valley Solar Array (EOVSA). Während Fermi die zeitliche Entwicklung der Gammastrahlung erfasste, lieferte EOVSA hochauflösende Mikrowellenbilder, die empfindlich auf die beschleunigten Elektronen reagierten.

Diese Entdeckung bestätigt theoretische Modelle, die besagen, dass die Sonne in der Lage ist, geladene Teilchen durch die Freisetzung gespeicherter magnetischer Energie auf extreme Energieniveaus zu beschleunigen. Laut Gregory Fleishman wird dieser wissenschaftliche Fortschritt dazu beitragen, die existierenden Modelle der Sonnenaktivität substanziell zu verfeinern und somit die Genauigkeit von Weltraumwettervorhersagen zu erhöhen. Die Relevanz dieser Verbesserung wird durch jüngste Ereignisse unterstrichen, wie etwa den starken geomagnetischen Sturm im Mai 2024, der mit der aktiven Region NOAA 13664 in Verbindung gebracht wurde.

Der nächste entscheidende Schritt für die Forscher besteht darin, innerhalb dieser extremen Teilchenpopulationen zwischen Elektronen und Positronen zu differenzieren. Um diese Unterscheidung treffen zu können, ist eine Modernisierung des EOVSA auf die Konfiguration EOVSA-15 geplant, deren Abschluss für das Jahr 2026 erwartet wird. Diese neue Kapazität wird Messungen der Polarisation der Mikrowellenemission ermöglichen, was letztendlich Klarheit über die Natur dieser hochenergetischen Teilchen schaffen soll. Die durch die 28-tägige Sonnenrotation bedingte Einschränkung kontinuierlicher Beobachtungen konnte im Jahr 2024 teilweise durch Daten des ESA-Raumfahrzeugs Solar Orbiter kompensiert werden, das die Region NOAA 13664 beobachtete.