Die Stimmungen sind faszinierend. Das Universum offenbart sich dem menschlichen Verstand in etwa mit der Art, mit der sich unsere subjektiven Sichtweisen verändern, während wir durch einen dichten Nebel gehen. Auf der Suche, nach einem Ziel. Schritt für Schritt, kommen wir ihm näher und Schritt für Schritt, löst sich ein weiterer Teil des gesamten Nebelfeldes unmittelbar neben uns augenscheinlich in Luft auf. Stehen wir nämlich im Nebel drin, ist von ihm selber nichts mehr zu sehen. Bei der Vorgabe einer Strecke, die in Form einer Luftlinie zwischen zwei Punkten vorliegt, scheint der Nebel umso dichter zu sein, je weiter beide Punkte voneinander entfernt liegen. Was uns hier betrifft, ist die Frage nach der Perspektive.

Wissenschaftliche Forschung scheint mit diesem Beispiel eine gewisse, allerdings nicht klar konturierte Analogie zu besitzen. Auf der Suche nach dem Großen Ganzen, müssen wir zunächst kleine Schritte gehen, damit sich unsichtbare metaphysische Nebelschwaden, die wissenschaftliche Forschungen die zum Großen Ganzen führen sollen sonst behindern, in gleicher Form Stück für Stück aufzulösen scheinen.

Dabei stößt man auf viele Stationen, auf viele Details, die sinnvoll in ein Kollektiv gefügt werden müssen, damit eben jenes Kollektiv auch nur ansatzweise einen scharf konturierten Umriss für ein augenscheinliches Muster erweckt, dass der Mensch mitverstehen kann.

 

Bei der Frage nach den Stationen und den Details, kommt der Sternphysik heute eine ganz besondere Rolle zu. Die Physik der Sterne ist mittlerweile ein weitreichendes Gebiet der Astrophysik. Ganze Bücher, können bereits mit mathematischen Strukturen und seriösen Beschreibungen dazu verfasst werden. Da ist die Rede von Entwicklungsprozessen, sich selbst regulierenden Mechanismen und Veränderungen der chemischen Zusammensetzung der plasmatisch beschreibbaren Sternmaterie. Auch wenn viele dieser Modelle, hinreichend gute Approximationen der Realität zu sein scheinen, so entgeht vielen von ihnen doch ein, für viele benötigte Erklärungen, unerlässlich wichtiger Prozess: Der stellare Magnetismus!

 

Über die Rolle der interstellaren Magnetfelder, in einzelnen Galaxien, berichtete ich bereits in einem anderen Text. Schließlich aber, gelang der Wissenschaft die sensationelle Erkenntnis, dass diese recht globalen Feldstrukturen auch in lokaler Form in der galaktischen Scheibe anzutreffen sind. Sterne besitzen Magnetfelder. Allerdings tun das nicht alle und was die genauere Erklärung der Hintergründe des stellaren Magnetismus betrifft, ist da wohl wieder eine Menge Vorarbeit von Nöten.

Wir starten unseren Anfang, mit allgemeinen Erklärungen zum Magnetfeld.

 

Die Physik kennt verschiedene Felder. Der Aussage einiger Esoteriker, sie könnten mit gewissen Mitteln einige dieser Energiefelder spüren, wird im Folgenden keine Beachtung geschenkt. Wir wollen schließlich in einem seriösen Umfeld der wissenschaftlichen Arbeit erklären, und nicht in pseudomystischem Gerede. Da fehlt für Esoterik schlichtweg der Platz.

Was genau ein Feld ist, darüber kann die Physik keine Aussage treffen. Wohl aber kann sie sagen, wodurch sich ein Feld definiert und welche Eigenschaften es im Allgemeinen hat.

Grundlegend für diese Feldarbeit ist die Erkenntnis, dass es im Wesentlichen zwei verschiedene Grundtypenarten von Feldern gibt.

 

1. Skalarfelder

… sind Felder die jedem Punkt in einem Raum eine bestimmte Stärke zuweisen.

 

2. Vektorfelder

… sind Felder die jedem Punkt in einem Raum eine bestimmte Stärke und eine bestimmte Richtung zuweisen.

 

Beispiele für skalare Felder sind Temperatur- oder Luftdruckfelder. Das ist besonders für Meteorologen interessant. Arbeitet man zb. in einem Modell mit einer abgeschlossenen Box, so kann jedem beliebigen Raumpunkt in dieser Box eine bestimmte Temperatur (also ein Skalar) zugeordnet werden. Temperatur besitzt aber keine Richtung, sondern ist einfach nur da.

Ganz anders ist das, beim Magnetfeld. Ein Magnetfeld besitzt an jedem Raumpunkt eine gewisse Stärke. Charakterisiert wird die, durch einen Begriff den man in der Physik als magnetische Flussdichte bezeichnet. Die Richtung des Magnetfeldes ist durch den Verlauf, der Feldlinien gekennzeichnet. So kommt es zur allgemeinen Definition von Nord- und Südpol.

Die Feldlinien sind ein geometrisches Konstrukt. Sie existieren strenggenommen nicht real, werden aber zur Erhöhung des Abstraktionsgrades als Veranschaulichung verwendet. Feldlinien sagen etwas über die Richtung und sogar die Stärke eines Magnetfeldes aus. Je dichter sie zusammenliegen umso stärker ist im allgemeinen das Feld. Das wird gleich noch von Wichtigkeit sind. Nun sind wir mit der wesentlichen Vorarbeit fertig, und widmen uns doch direkt mal einem stellaren Magnetfeld; dem Magnetfeld der Sonne!

 

Für die Erklärung der heute mit verschiedenenen Instrumenten sichtbaren Aktivitätsphänomene auf der Sonnenoberfläche, ist ein poloidales Magnetfeld von großer Wichtigkeit. Lange war die Frage, wie es einem Körper wie der Sonne überhaupt möglich war, Magnetfelder zu induzieren. Schließlich stehen die beteiligten Gasmassen unter dem Einfluss einer tiefenabhängigen Zustandsgleichung. Die Druck- und Dichteverhältnisse, die im Innern der Sonne vorherrschen können rein experimentell unmöglich nachgestellt werden. Für die allgemeine Sternphysik formuliert man an der Stelle ein mathematisches Profil, dass die Variation aller beteiligten Zustandsgrößen unter der Annahme zunehmender plasmatischer Tiefe beschreibt. Wie bauen aber Sterne nun ein Magnetfeld auf, wenn es sich bei ihnen nur um riesige Ansammlungen glühenden, dichten Gases handelt?

 

Relevante Beschreibungen die vor allem auf kinematischer Basis spezielle Konfigurationen an die plasmatische Sternmaterie stellen, basieren auf dem Prinzip des von Werner von Siemens 1866 entdeckten selbsterregten Dynamos. Der Dynamo ist ein Phänomen, der vermutlich jeder Person schon einmal untergekommen ist. Man denke nur an leidenschaftliche Fahrradfahrer, die des Nachts durch das Treten in die Pedale Energieformen umwandeln, und auf diese Weise Licht erzeugen. Ein Dynamo ist eine sehr komplexe Form des Transformators. Kurz und knapp: Man schmeisst etwas rein, was letztlich umgewandelt aber in Form des selben Betrages (!) wieder herauskommt.

Wer sich noch an den Physikunterricht aus der 8. Klasse erinnert, weiss vermutlich wovon jetzt die Rede ist. Man stelle sich einen elektrischen Strom vor, der durch eine gut leitende Kupferspule fließt. Aus physikalischen Gründen, die vermutlich in Naturgesetzen begründet sind, induziert jeder elektrische Strom ein Magnetfeld! Umgekehrt konnte man zeigen, dass jedes Magnetfeld, dass sich in einem elektrischen Leiter bewegt, einen Stromfluss erzeugt. Das ist eine wichtige Erkenntnis, auch für die Elektrotechnik! Nun übertrage man dieses Bild auf einen kugelsymmetrischen Stern, dessen Mittelpunkt mit r = 0 zusammenfallen soll, wobei r der Radius des Sterns ist.

Um einen Dynamo, wie oben beschrieben in Gang zu setzen, fragen wir zunächst nach einem elektrischen Strom im Plasma. Strom, auch das ist die 8. Klasse, ist bekanntlich ein Fluss negativer Ladungsträger. Nimmt man für einen Stern, die vollständige Ionisation seiner Atome an und geht ferner davon aus, dass Relativbewegungen der sich frei bewegenden Elektronen, relativ zu Protonen erlaubt sind, so kann die Induktion eines Stromflusses im Innern eines kugelsymmetrischen Sternes sogar verwirklicht werden. Man würde auf diese Weise einen elektrischen Strom erzeugen, mit dem wiederum die Induktion eines Magnetfeldes verbunden wäre.

 

Allerdings zeigt sich hier schnell, dass die Induktion von Feldern auf diese Art, selten von Erfolg gekrönt ist. Wichtig für eine Bewegung der negativ geladenen Elektronen, relativ zu den Protonen ist nicht nur eine gerichtete Strahlungsquelle, sondern auch die Bedingung, dass keine Photonen nach einem Ausgleich dieser Relativbewegungen streben. In einem dichten, heißen Stern, wird über den sogenannten inversen Compton-Effekt aber ein erheblicher Teil an negativen Ladungsträgern abgebremst und damit die Gesamtanzahl von potenziellen Stromerzeugern statistisch reduziert. Es kann so nur in sehr begrenztem Umfang zur Induktion eines elektrischen Stroms im Plasma kommen! Eine andere Erklärung für die Induktion eines stellaren Magnetfeldes muss gelten.

Es liegt nahe, nach bewegten elektrischen Leitern Ausschau zu halten. Aus den theoretischen Modellen des Sternaufbaus wird ersichtlich, dass die Konvektionszone mit Auf- und Absteigenden Materieelementen genau der richtige Ort dafür zu sein scheint. Vom Sonnenmittelpunkt (r = 0) ausgehend, ergibt sich ein Übergang des radiativen Energietransportes hin zu konvektiven Auf- und Abstiegsbewegungen bei etwa 0,72 Sonnenradien. Nebenbei kann es auch in radiativen Zonen des Sterns, in denen Strahlungsprozesse relevant für den Energietransport sind, zu Bewegungen hochleitender Materie (vgl. elektrischer Ladungen) relativ zu bereits existierenden Magnetfeldern kommen. Dies ist bei meridional verlaufenden Zirkulationsströmungen der Fall, die unter der Vorraussetzung einer hohen Rotationsrate in Erscheinung treten, weil es Temperaturfluktuationen auf den Äquipotentialflächen im Falle einer reinen Rotation gibt. Die damit verknüpfte Winkelgeschwindigkeit ist dabei alleinige Funktion des Abstandes von der Rotationsachse.

 

Wie dem auch sei, die Bewegungen der hochleitenden Sternmaterie haben wir damit schon. Was uns noch fehlt, ist ein anfängliches magnetisches Feld, dass in gewisser Weise das Gerüst unseres Dynamoprozesses ist. Grundsätzlich gilt im astronomischen Fall: Jede Form der kinetischen Energie, kann unter der Präsenz eines anfänglich schwach vorhandenen Magnetfeldes in magnetische Energie umgesetzt werden! Auch wenn kinetische Energieformen genügend vorhanden sind (Konvektion, Zirkulation etc.) fehlt uns für die Aufrechterhaltung des stellaren Dynamos noch eine wichtige Zutat; Ein Magnetfeld, dass bei der Entstehung des Sterns induziert wurde. Damit ist das so eben erwähnte „Gerüst“ gemeint. Wie wir noch sehen werden, scheint vor allem auch der stellaren Rotationsrate eine unübersehbare Bedeutung zuzukommen, wenn es um magnetische Aktivitäten eines Sternes geht. Zur anfänglichen Induktion eines Magnetfeldes soll hier aber nicht näher eingegangen werden. Es bleibt mir nur über, auf Spezialliteratur zu verweisen. Ein Satz vielleicht noch: Bei der Entstehung eines Sternes, kommt es nach anfänglicher Dichtekontraktion zur Entstehung eines elektrisch leitfähigen Plasmas, dass noch innerhalb der Gaswolke, in der der Stern entsteht ein schwaches Magnetfeld erzeugt.

 

Auf diese Weise, ist es einem Stern also möglich, ein Magnetfeld zu generieren. Diese Form des sogenannten magnetohydrodynamischen Dynamos, benötigt für ihre Aufrechterhaltung also nur, ein anfänglich bei der Entstehung des Sterns irgendwie induziertes Magnetfeld, dass dann durch die Umsetzung von kinetischer Energie in magnetische Energie an Stärke dazu gewinnt. Über die Formen dieser kinetischen Energie, müssen wir noch dringlicher reden! Die allgemeine Gleichung für die kinetische Energie ist in der klassischen Physik:

 

E = ½ * m * v²

 

Entscheidend für die Quanti- und Qualität der kinetischen Energie eines Sterns ist neben seiner Masse also vor allem die Geschwindigkeit v. Wir erinnern uns daran, dass es genau diese Form von kinetischer Energie ist, die sich bei einem funktionierenden Dynamoprozess als Endzustand im Magnetfeld des Sterns „manifestiert“. Der Stern besitzt lokal betrachtet hauptsächlich zwei wesentliche Quellen, die in der Gleichung sinnbildlich zur Geschwindigkei v beitragen.

 

1. Die bereits oben erwähnten Konvektionsprozesse, die in oberflächennahen Konvektionszonen zu finden sein müssen

 

2. Die Rotationsdauer des Sterns und die Art seiner differenziellen Rotation

 

Wie es scheint, müssen wir uns gleich noch ausgiebiger mit diesen beiden Faktoren beschäftigen, wenn wir verstehen wollen, warum sich auf einigen Sternen Magnetfelder aufbauen und auf anderen nicht. Auch für die individuellen Details, die zb. die verschiedene Qualität der auftauchenden Felder betreffen, spielt das eine Rolle. Zunächst aber, eine weitaus dringlichere Frage: Woher wissen wir eigentlich, dass die Sonne und andere Sterne Magnetfelder besitzen und andere wiederum nicht?

 

Gemessen werden stellare Magnetfelder auf verschiedenem Wege. Eine allseits bekannte Möglichkeit dieser Vermessung besteht in der mathematischen Analyse des sogenannten Zeeman-Effekts.

Bei der Aufnahme eines Sternspektrums ist man es gewohnt, ein dem Kontinuum überlagertes Muster sogenannter Absorptions- und Emissionslinien zu erkennen. Die Anordnung und Verteilung der Linien gibt wichtige Rückschlüsse über die allgemeine physikalische Beschaffenheit der Photosphäre des betroffenen Sterns. Unter der Anwesenheit eines Magnetfeldes, verdoppeln sich diese Linien im Spektrum. Es kommt zu einer Aufspaltung mit deren Hilfe es möglich ist, genaue Aussagen über die Qualität des Feldes zu machen.

Damit ist eine Sternoberfläche aber noch lange nicht topographiert, also im Einzelnen vermessen worden. Für die Einschätzung des Magnetfeldes an und für sich, stellt der Zeeman-Effekt eine gute Möglichkeit dar. Auch das Magnetfeld unserer Sonne, wurde das erste mal auf diesem Wege direkt beobachtet.

Um aber ein detailgetreues Abbild einzelner Aktivitätsregionen auf fremden Sternen zu kriegen, ist es notwendig über das sogenannte Doppler-Imaging-Verfahren einzelne Teilbereiche des Sterns geometrisch unterteilt zu spektroskopieren und dann in einem aufwendigen Verfahren simulativ wieder aufzuaddieren. Weiterhin bleibt die Frage bestehen, wie aus dem allgemeinen Magnetfeld eines Sterns, magnetische Aktivitäten werden können und vor allem: In welchem Feld aktiver Sterne, findet sich unsere Sonne wieder?

 

Wie schon lange bekannt, ist auch unsere Sonne nichts weiter als ein gewöhnlicher G2V-Hauptreihenstern im Orion-Arm der Galaxie ,,Milchstraße“. Und wie könnte es auch anders sein, gehört sie zur Gruppe der magnetisch aktiven Sterne. Typische teils sinusförmige Modulationen der Lichtkurven in spezifischen Spektralbereichen, mit Amplituden von bis zu 0,4 mag sind hier typisch. Doch wie vor allem gewonnene Beobachtungsreihen der letzten Jahrzehnte eindrucksvoll zeigen, soll es Sterne mit Füllfaktoren von bis zu 70% geben! Der Füllfaktor gibt hierbei an, wie viel Prozent der für uns sichtbaren Sternhemisphäre mit Sternflecken (analog zu den Sonnenflecken) bedeckt sind.

Die Analogie zwischen Aktivitätsphänomenen auf der Sonne und anderen Sternen, scheint grundsätzlich vorhanden zu sein. Sternflecken entstehen zb. auch auf anderen Sternen, durch das Unterbinden von Konvektionsströmungen unter der Präsenz eines örtlich sehr starken Magnetfeldes. Die Lebensdauer eines Fleckes ist dabei von dessen Größe abhängig, wobei kleinere Fleckenareale schneller zerfallen. Mit dem Verschwinden des Fleckes, kommt es jedoch auch nicht gleich zu einem völligen Verfall des örtlichen Magnetfeldes! Tatsächlich zeigt der Vergleich zwischen der mittleren Schichtdicke, und der in der pro Zeiteinheit entstehenden Jouleschen Wärme, dass offenbar mehrere Tausend Jahre benötigt werden um die magnetische Energie einer aktiven Region, völlig in thermische Energie umzuwandeln.

Nach diesem Modell, sollten zb. sehr große Sternflecken über längere Zeit bestehen können. Anlässlich des geringen Auflösungsvermögens durch die eben genannte Zeemann-Doppler-Imaging-Technik (sie erlaubt eine Rekonstruktion der Sternoberfläche) ist aber noch nicht ganz geklärt, ob einige magnetisch aktive Sterne tatsächlich so große Fleckenareale besitzen, wie es die Beobachtungen zu zeigen scheinen oder Messtechnische Fehler am Werk sind. Während auf der Sonnenoberfläche in Phasen der maximalen Aktivität, höchstens 2% der sichtbaren Hemisphäre mit Flecken bedeckt sind, kommt man bei einigen sehr aktiven Sternen auf einen Wert um die 50 – 70%!!! Die wahnsinnige Größe und Anzahl der Flecken, kann mit den gegenwärtig aktzeptierten Dynamomodellen, zwar noch nicht wirklich erklärt werden, doch hat man eine Erklärung dafür gefunden, dass sehr große Sternflecken nach Beobachtungen entgegen der obigen Ausführung schneller zu Zerfallen scheinen, als bisher angenommen!

Die Ursache für diesen Zerfall findet man nicht, wie man zb. erwarten könnte in einem schneller ansteigenden Jouleschen Wärmeverlust. Vielmehr ist die oberflächennahe starke differentielle Rotation eines Sterns dafür verantwortlich, dass ein sehr großer Fleck über mehrere Breitengrade hinweg, vom differentiellen Geschwindigkeitsfeld zerrissen wird und sich so schneller auflöst, als es die zeitlich vollständige Umwandlung von magnetischer in thermische Energie erfordern würde. Die Ursache der differentiellen Rotation auf Sternoberflächen wird heute folgendermaßen beschrieben:

Oberflächennahe differentielle Rotation wird beobachtet, wenn die Winkelgeschwindigkeit der Rotation mit dem Breitengrad variiert. Typischerweise steigt die Winkelgeschwindigkeit, mit zunehmender Breite und damit Annäherung an den stellaren Äquator. HD 31993 ist ein Stern, der den genau entgegengesetzten Fall präsentiert. Der zugrunde liegende Mechanismus der differentiellen Rotation, sind turbulente Konvektionsbewegungen im Sterninnern. Konvektionsbewegungen führen Bewegungsenergie, durch die Bewegung von Plasmamassen, bis an die Oberfläche des Sterns. Diese Plasmamassen führen jedoch einen Teil der Winkelgeschwindigkeit des Sterns mit sich. Wenn durch Scherung und gleichzeitige Rotation, lokal begrenzt Turbulenzen auftreten kann der Drehimpuls durch eine meridionale Strömung in verschiedenen Breiten verteilt werden.

Untersuchungen kamen zum Entschluss, dass die aller aktivsten Sterne nur noch ein extrem geringes differentielles Rotationsverhalten zeigen. Das widerspricht der Vorstellung, nach der ein effizienter Dynamoprozess mit folgenden magnetischen Aktivitäten, vor allem durch diesen Prozess begünstigt wird. Man darf dabei aber nicht vergessen, dass es hauptsächlich die tiefenabhängige differentielle Rotation ist, die über magnetische Rekonnexionen heftige Aktivitätsphänomene an der Oberfläche hervorruft. Doch dazu später... Möglicherweise unterbindet das starke Magnetfeld auch die Konvektionsprozesse aus dem Sterninnern und damit die differentielle Rotation an der Photosphäre. Die Schnittstellen mit scharfen Rotationsdifferenzen zwischen zwei benachbarten Schichten, sind offenbar effiziente Standorte für den Dynamo-Prozess, der zur Generierung eines stellaren Magnetfeldes führt. Differentielle Rotation hängt von den Temperaturunterschieden bezüglich der angrenzenden Regionen ab.

Es liegen heute schon von vielen Sternen Messungen ihrer differentiellen Rotation vor. So beobachtet man zb. Beim sonnenähnlichen Beta Comae (Spektraltyp: G0V) ein differenziertes Rotationssystem vom Äquator und Pol mit 21%. Auf der Sonne sind es sogar ganze 30%!

 

Versetzen wir uns nun in die Lage eines Astronomen. Wir sind auf der Jagd nach magnetisch aktiven Sternen in unserer Galaxie. Wie gehen wir vor? Anfänglich, erstellen wir für jeden Stern mit unterschiedlicher Spektralklasse ein physikalisch sauber definiertes Erwartungsprofil. Wir haben oben gesehen, dass ein magnetohydrodynamischer Dynamoprozess im Innern eines Sternes, für die fortwährende Generierung seines Magnetfeldes verantwortlich ist. Für diesen Dynamoprozess musste der Stern jedoch zwei Voraussetzungen erfüllen:

 

  • Er muss eine oberflächennahe Konvektionsschicht besitzen, die als elektrischer Leiter fungiert.

  • Die Rotationsrate des Sterns muss möglichst hoch ausfallen.

 

Fragen wir weiter nach magnetischen Aktivitäten, müssen wir noch eine dritte Bedingung berücksichtigen:

 

  • Der Stern muss ein tiefenabhängiges differenzielles Rotationsverhalten aufweisen.

     

Fangen wir direkt mit der ersten Bedingung an, und fragen Sterne welcher Spektralklasse ein derartiges Kriterium erfüllen. Um eine ausführliche und physikalisch korrekte Antwort zu geben, sollte man jedoch mit dem Konvektionsprozess allgemein vertraut sein. Holen wir daher, ein bisschen weiter aus.

 

Konvektion ist ein Energietransportmechanismus, der im Innern eines Sterns greift, wenn eine geometrisch abgegrenzte Schicht als dynamisch instabil angesehen werden kann. Im Falle einer dynamischen Stabilität, wird für ein beliebiges Massenelement ein Wärmeaustausch mit seiner Umgebung effizient unterbunden. Dieses Kriterium, beinhaltet dementsprechend keine Konfigurationen die anfängliche Temperatur- oder Dichtefluktuationen erlauben würden. Letztendlich sind es aber genau die, die im Falle eines Konvektionsstromes angenommen werden.

 

Wenn in einem zunächst ruhenden Gas, gewisse Bereiche wärmer, und damit spezifisch leichter als ihre Umgebung werden und so entgegen der Schwerkraftrichtung aufsteigen, dann spricht man von thermischer Konvektion. Wir müssen für ein beliebiges Massenelement also zunächst einen geringfügigen Temperaturexzess annehmen, denn nur so kann es zum Aufstieg des Elementes kommen und nach einer endlichen Zeitspanne folglich auch zu einem Absinken. Ist ein Plasmapaket also geringfügig wärmer als seine Umgebung, so wird es aus Gründen des thermischen Gleichgewichtes, anfangen aufzusteigen. Mit zunehmendem Aufstieg des Konvektionselementes, nähern wir uns jedoch der Oberfläche (r = R) und entfernen uns sukzessiv vom Zentrum des Sterns (r = 0). Das hat zur Konsequenz, dass der Ionisationsgrad mit zunehmendem r = R ebenfalls abnimmt, und der Gasblase dadurch Energie zugeführt werden kann. Diese, dem aufsteigenden Element zugeführte Energie, wird auf thermische Weise verarbeitet und zur Expansion der Blase benutzt. Mit zunehmender Expansion, steigt jedoch auch die Abnahme des Ionisationsgrades und foglich mehr Energie wird zur Expansion verwendet. Unter der Berücksichtigung dieser Aspekte, wird schnell ersichtlich, dass die Konvektion ein Selbstverstärkungsprozess ist! Hat das Konvektionselement schließlich die Sternoberfläche erreicht, so wird es innerhalb weniger Minuten abkühlen, und seinen Weg ins Sterninnere antreten. Es kommt dann zu einem Abstieg der Plasmablase. Hier ist es der selbe Mechanismus, nur umgekehrt, dh. das Massenelement muss kühler als seine Umgebung sein um anfänglich abzusinken, und letztlich nach Zurücklegen eines endlichen Weges noch kühler als seine neue Umgebung werden um entsprechend weiter abzufallen. Es lässt sich über einige sehr interessante Gleichungen auch eine Aussage über die Geschwindigkeit der Konvektion treffen, die repräsentativ ein Maß für die Effizienz des gesamten Prozesses ist. Wie wir später noch sehen werden, scheint neben der Konvektionszone und den Auf- bzw. absteigenden Elementen selber, vor allem deren Größe und Geschwindigkeit relevant für den Dynamoprozess zu sein. Feszuhalten ist: Ein ständiger Konvektionsstrom im Innern eines Sterns, ist nur dann gegeben, wenn die Temperaturänderung des Auf- bzw. absteigenden Elementes mit der Höhe (Koordinate r) geringer ist, als die entsprechende Temperaturänderung in der im Strahlungsgleichgewicht befindlichen Umgebung. Weiterführend nimmt man für die mathematischen Modelle, sowohl ein adiabatisches Verhalten des Elementes an, als auch ein mehr oder weniger gut erfülltes Druckgleichgewicht.

 

Nachdem wir nun einen kleinen Exkurs in die Konvektionsbedingungen gemacht haben, wenden wir uns wieder den magnetisch aktiven Sternen zu. Die theoretischen Modelle, denen mathematisch definierte Konfigurationen zugrunde liegen zeigen, dass der Aufbau eines Sternes im Wesentlichen von seiner Masse bestimmt wird. So lässt sich für jeden Stern mit unterschiedlicher Masse ein Schema anfertigen, und eine Aussage über die Ausdehnung und Lage der Konvektionszone treffen. Es stellt sich folgendes heraus:

 

Sterne zwischen 0,085 und 0,35 Sonnenmassen: Derart massearme Sterne sind den theoretischen Modellen und Beobachtungen zur Folge, vollkonvektiv! Das Temperaturgefälle ist über den gesamten Stern gemittelt hoch genug, um für eine Ineffizienz der Strahlungsdiffusion zu Sorgen. Der Himmelskörper ist über alle Volumenelemente gemittelt, dynamisch instabil.

 

Sterne zwischen 0,36 -1,4 Sonnenmassen: Hier kommt es aufgrund der Dominanz der PP-Reaktion im Innern des Sterns zur Ausbildung einer radiativen Grenzschicht über dem Kern. Im Fall der Sonne (1 Sonnenmasse) reicht diese Strahlungszone von r = 0 bishin zu r = 0,71. Bei 72% des Sonnenradius geht der Strahlungstransport dann in turbulente Konvektionsbewegungen über. Die Konvektionszone fällt mit abnehmender Oberflächentemperatur, tiefer in den Stern hinein!

 

Sterne zwischen 1,5 – 120 Sonnenmassen: Bei diesen Sternen erreicht, hinsichtlich der hohen Massenwerte, der Kernbereich eine sehr hohe Temperatur. Aufgrund dessen, dominiert entgegen den masseärmeren Sternen, der CNO-Zyklus gegenüber der PP-Kette, der aufgrund seiner extremen Temperaturabhängigkeit eine große Konzentration des Energieflusses, auf das Zentralgebiet bewirkt. Da der radiative Gradient hier den adiabatischen Temperaturgradienten übertrifft, bildet sich ein konvektiver Kern aus, an den sich eine Strahlungszone anschließt. Die Ausdehnung des konvektiven Kerns steigt mit zunehmender Zentraltemperatur, die wiederum eine Funktion der Sternmasse ist.

 

Für eine quantitativ vollständige Untersuchung von stellaren Aktivitäten fehlt uns nur noch eines: Eine systematische Untersuchung der Rotationsrate als Funktion der Spektralklasse! Nach allem, was bisher gesagt wurde, sollten vor allem Rote Zwerge und sonnenähnliche Sterne Hinweise auf magnetische Aktivitäten zeigen. Bei Sternen mit mehr als etwa 1,5 Sonnenmassen, wird die Bedingung einer oberflächennahen Konvektionsschicht nicht mehr erfüllt. Spektroskopische Untersuchungen über den Doppler-Effekt zeigen, dass vor allem die frühen Sterne, also solche mit Spektralklassen O, B, A und F eine gegenüber den späten Sternen (G, K und M) sehr hohe Rotationsrate zeigen. Allerdings liegen auch die Roten Zwerge ( normalerweise Spektralklasse M) mit einer durchschnittlichen Rotationsperiode von etwa 9 - 14 Tagen gut im Schnitt. Die Sonne, weist eine mittlere Rotationszeit von 27 Tagen auf. Obwohl das für stellare Verhältnisse, außerordentlich mickrig ist, zeigt die Sonne vermutlich aus Gründen der oberflächennahen Konvektionszone magnetische Aktivitäten in Form von Sonnenflecken, Flares, Protuberanzen, Plages etc. Für die Untersuchung der Sternrotation, bedarf es sorgfältig ermittelter Daten von Sternen mit unterschiedlicher Masse und verbunden damit, unterschiedlicher Spektralklassen. Dabei scheinen die frühen Sterne (Spektralklasse A, B und O) eine deutlich höhere Rotationsgeschwindigkeit zu besitzen, als die späteren. Wieso ist das so?

 

Eine Antwort auf die Frage ergibt sich, wenn man sich die von der Sternoberfläche radial nach außen laufenden Magnetfeldlinien, wie die ausgestreckten Arme eines Eiskunstläufers vorstellt. Der Pirouetteneffekt, der Eiskunstläufer rotiert schneller wenn er seine Arme an den Körper zieht, dürfte vermutlich vielen bekannt sein. Es ist die Erhaltung des Drehimpulses, die dort ihr Dasein fristet. Unter der Bedingung, dass der Stern ein Magnetfeld besitzt, und weiterführend ein Strom aus elektrisch geladenem Plasma von seiner Oberfläche weht (vgl. Sonnenwind) kann man folgende Erklärung geben: Sterne, die aus Gründen ihrer Zustandsgrößen ein Magnetfeld generieren können, müssen die elektrisch geladenen von der Oberfläche wegstreuenden Teilchen, magnetisch mitschleppen! Da vornehmlich Elektronen und Protonen, sprich Ladungsträger Hauptbestandteil des Sternwindes sind, müssen die Magnetfeldlinien im Verlauf der Rotation, ,,Rücksicht“ auf die Ladungen nehmen, und sie auf diese Weise mitnehmen. Das führt über einen langfristigen Zeitraum zum Abbau von Drehimpuls. Weiterführend hat man Reibungsprozesse, hervorgerufen durch die tiefenabhängige differentielle Rotation zu berücksichtigen, aber auch Fremdeinwirkungen von großen Massen, wie zb. In Doppelsternsystemen. Nun ist also auch die Rotationsrate verschiedener Sterntypen bestimmt und wir können deren Einfluss für die Beschreibung magnetischer Aktivitäten mit in Erwähnung ziehen. Das oben erstmals erwähnte Erwartungsprofil für Sterne und ihre magnetischen Aktivitäten könnte man nach Ausführung dieser Ideen, folgendermaßen definieren: Unter Berücksichtigung der Konvektionsbewegungen und der Rotationsrate von Sternen verschiedener Klassen, sollten vor allem Rote Zwerge aber auch sonnenähnliche Sterne im Massenintervall von etwa 0,5 – 1,4 Sonnenmassen geeignete Anwärter für Aktivitätsphänomene sein.

 

Mit dieser Vorstellung machen wir uns nun an den Versuch der Beobachtung. Wir wissen, dass Rote Zwerge eine sehr oft vorkommende Sternklasse sind. Allerdings ist ihre Leuchtkraft, aufgrund ihrer Größe und Physik, über alle Maßen klein, sodass sie für irdische Teleskope nur sehr schwer zu finden sind. Trotzdem, sind uns natürlich schon viele derartige Objekte bekannt. Auch die sonnenähnlichen Sterne und K-Zwerge treten, zumindest in unserer Galaxie der Milchstraße oft genug in Erscheinung, um sie auf magnetische Aktivivitäten zu studieren. Wie aber, spürt man Sternflecken, Plages, Fackeln, Flares und aktive Regionen mit einer Ausdehnung von einigen Tausend Kilometern über zig Lichtjahre auf?! Der Skeptiker lässt sich hier wohl, nicht ganz ohne Grund, schnell zur Aussage ,,gar nicht“ hinreissen, doch dem ist zum Glück nicht so! Magnetische Aktivitäten werden vor allem über Helligkeitsänderungen, Änderungen des Spektrums oder polarimetrische Messungen nachgewiesen. Dabei ist immer noch der Zeemann-Effekt, der auf einer Aufspaltung von Spektrallinien durch Magnetfelder beruht von unerlässlicher Wichtigkeit. Zusammen mit einer spektroskopischen Doppler-Untersuchung, kann man ihn dann auf die bereits erwähnte Zeemann-Doppler-Imaging-Technik ausweiten! Damit eröffnen sich ganz neue Fenster zur Untersuchungsmöglichkeit.

 

Wir machen einen kleinen Sprung und sehen: Tatsächlich hat sich unser Erwartungsprofil aus intensiven Beobachtungen und Datenanalysen als korrekt erwiesen! Es sind die kleineren Sterne, die am Nachthimmel durch ihre magnetische Aktivität bezaubern. Aber was genau sieht man da?

 

Fangen wir bei den Roten Zwergen an! Durch spektroskopische Messungen konnte man bei ihnen Sternflecken nachweisen. Aber auch Flares, also zeitabhängige Strahlungsausbrüche, oder aktive Regionen sind an der Tagesordnung. Rote Zwerge sind generell die magnetisch aktivsten Sterne, die uns bis heute bekannt sind! Das liegt wohl in ihrer Vollkonvektion begründet, die überlagert mit einer modulierten Rotationsrate und dem magnetohydrodynamischen Dynamo, für die Generierung eines allgemeinen Feldes sorgt. Auch sonnenähnliche Sterne zeigen die für magnetisch aktive, normalen Aktivitätserscheinungen. Flecken, Flares, Plages, Protuberanzen, Filamente und Fackelgebiete dominieren die Oberfläche dieser Körper. Doch, wie sieht es mit dem Entstehungsprozess magnetisch aktiver Regionen aus? Das es hier kleinere Differenzen gibt, ist aus Beobachtungen schon lange gesichert. Seltsamerweise, beobachtet man bei vielen Sternen nämlich Flecken, die vermehrt auch an den Polen in Erscheinung treten! Polare Flecken, sind auf der Sonne bisher noch nie beobachtet worden. Langzeitbeobachtungen bei Sternen mit hohen Rotationsraten scheinen aber zu zeigen, dass alle Sternflecken äquatornah entstehen, und dann im Laufe von Jahren polwärts wandern.

 

Ein vollständiges Modell für die Erklärung von Sternflecken, muss zunächst folgende Kriterien der solaren Analogie berücksichtigen:

 

  • Die heliographische Breite bei der Sonnenflecken bevorzugt entstehen, nimmt im Laufe eines Aktivitätszyklus von 30 – 35 ° auf etwa 5 – 10 ° ab. (Gesetz von Spörer)

  • Ein Sonnenfleck, bestehend aus einer p- und einer f-Komponente zeigt eine ungefähre Ost-West-Ausrichtung. Dabei befindet sich die f-Komponente in der Regel näher am Pol, als die p-Komponente.

  • Die magnetische Orientierung von p- und f-Flecken in bipolaren Gruppen, ist jeweils entgegengesetzt zur gegenüberliegenden Hemisphäre.

  • Es erfolgt ein zyklischer Polaritätswechsel, der mit dem Aktivitätsmaximum zusammenfällt.

 

Ein erstes, wirklich konsistent verfasstes Modell zur Erklärung von Sternflecken, ist dass des amerikanischen Sonnenphysikers Horrace W. Babcock. Seinem Modell liegt folgende Erklärung zugrunde: Ausgangspunkt ist ein poloidales Feld, dessen Feldlinien im magnetischen Nordpol aus und im magnetischen Südpol wieder eintreten. Die differentielle Rotation der solaren Oberflächenschichten, deformiert die magnetischen Feldlinien unterhalb der Oberfläche. Dabei wird kinetische Energie der Rotation, sukzessiv in magnetische Energie umgewandelt. Nach einer gewissen Zeit des Aufwindens, hat sich aus dem ursprünglichen poloidalen Feld, ein toroidales Feld beidseitig des Äquators gebildet. Ist nun eine gewisse kritische Magnetfelddichte erreicht, so steigen die zu Bündeln zusammengeschlossenen Feldlinien durch einen Auftriebsgewinn bis an die Oberfläche, wo sie dann an den Durchstoßpunkten bipolare Fleckengruppen entstehen lassen. Das aufgebrochene Feld an der Oberfläche, ist von der Geometrie her nun wieder ein poloidales Feld, mit Feldlinien normal zur Sternoberfläche. Es sind nun genau diese Feldlinien, die das ursprünglich noch schwach vorhandene poloidale Feld nach und nach neutralisieren. Letztendlich wird dieses Feld, dann durch ein anderes umgekehrter Polarität ersetzt. Aus dem magnetischen Nordpol wird der Südpol und umgekehrt. Der magnetische Zyklus eines aktiven Sterns, schließt sich auf diesem Wege wieder ganz natürlich. Eine andere Möglichkeit zur Beschreibung dieser Aktivitätszyklen ist diese:

 

Die Sonne durchläuft einen 11-jährigen Zyklus in dem ihre Aktivität mal mehr Mal weniger stark ausgeprägt ist. Der Höhepunkt ihrer Aktivität ist jeweils verbunden mit einer Umpolung des magnetischen Dipolfelds. Auch das Erdmagnetfeld polt sich in periodischen Zeitabständen um, doch hier ist der Mechanismus eindeutig geklärt.

Auf der Sonne soll folgende Theorie die Umpolung beschreiben: Steigt innerhalb der Konvektionszone eine Gasblase auf, so nimmt sie die um sie liegenden Magnetfelder auf den Weg mit nach oben. Da die Gasblase aufsteigt, und die Dichte der Sonne nach oben hin immer weiter abnimmt, kommt es zur Expansion. Die Expansion sprich die Ausdehnung der Blase ist nun verbunden, mit dem Erhalt einer horizontalen Bewegungskomponente für das Magnetfeld.

Da die Sonne kein starrer Körper ist und differentiell rotiert, versetzt die Coriolis-Kraft, die aufsteigende Materie in einen komplexen Rotationszustand. Die aufsteigenden Blasen, rotieren auf der Nordhalbkugel im Uhrzeigersinn und auf der Südhalbkugel entgegengesetzt.

Da aber auf beiden Hemisphären der Sonne, das toloidale Feld entgegengesetzt orientiert ist, führen Drehung und Ausrichtung des toloidalen Feldes, in Kombination zur Bildung kleiner lokaler Magnetfelder mit jeweils gleicher Ausrichtung auf beiden Halbkugeln. Diese lokalen Magnetfelder verlaufen nun entgegengesetzt zum ehemalig poloidalen Feld.

Hat sich eine bestimmte Anzahl der Magnetfelder überlagert, so kehrt sich das toloidale Feld wieder um und wird zu einem poloidalen Feld, dessen Feldlinien einen klar definierten Verlauf unterhalb der Photosphäre haben. Den ganzen Prozess nennt man gelegentlich auch „Omega-Effekt.“ Kurz zur Erinnerung: Ein poloidales Magnetfeld, besitzt Magnetfeldlinien die exakt da verlaufen, wo sie gebraucht werden. Das Magnetfeld ist geordnet!

Durch die differentielle Rotation der verschiedenen Plasmaschichten, verzwirbeln sich diese Magnetfelder irgendwann und das Magnetfeld geht in einen ungeordneten Zustand über. Wenn wir von Verzwirbelung reden, ist eigentlich klar, dass solche Fälle eine schnelle magnetische Rekonnexion zur Folge haben, und es vermehrt zu Protuberanzen, solaren Flares und Sonnenflecken kommt. Die Umpolung des Sonnenmagnetfelds erfolgt also, weil nach einer gewissen Zeit zu viel Unordnung im System herrscht.

 

Messungen und Analysen durch die Zeemann-Doppler-Imaging-Technik zeigen bei vielen Sternen offenbar Flecken an den Polen. Polare Sonnenflecken konnten bislang noch nie beobachtet werden, Sterne mit hohen Rotationsraten scheinen aber zu zeigen, dass alle Sternflecken äquatornah entstehen und dann im Laufe von Jahren polwärts wandern.

Eine Erklärung dafür gibt sich unter der Annahme einer Kräfterelation zwischen der Corioliskraft, dem magnetischen Auftrieb und der Rückstellkraft einer axialsymmetrischen Flussröhre. Die Gesamtkomponente dieses Kräftedreiecks weist bei schnellen Rotatoren nahezu immer in die Richtung, parallel zur Rotationsachse. Die Folge ---> Die Flussröhre, die bei einem Durchbruch an der Oberfläche eine bipolare Fleckengruppe entstehen lässt, wird durch eine einsetzende Ausgleichsströmung zu höheren Breiten abgelenkt! Es ist die Dominaz der Corioliskraft gegenüber einer radialen Komponente der Auftriebskraft, die vermutlich ursächlich für polare aktive Regionen auf schnell rotierenden Sternen ist.

 

Nach diesem langen und steinigen Weg, kann ich nur noch Goethe zitieren, der sagte: ,,Jede Lösung eines Problems, ist ein neues Problem.“