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Helioseismologie: Einblicke ins Innere der Sonne Lehrerfortbildung im Sonnenobservatorium auf dem Schauinsland Helioseismologie: Einblicke ins Innere der Sonne Markus Roth, Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung

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Helioseismologie: Einblicke ins

Innere der Sonne

Lehrerfortbildung im Sonnenobservatorium auf dem Schauinsland

Lehrerfortbildung im Sonnenobservatorium auf dem Schauinsland

Helioseismologie: Einblicke ins Innere der Sonne

Markus Roth, Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung

7.10.2004

Helioseismologie: Einblicke ins Innere der Sonne

Markus Roth, Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung

7.10.2004

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Helioseismologie: Einblicke ins

Innere der SonneDie Sonne ein Stern

EinführungGeschichte der

HelioseismologieHelioseismologie

Ergebnisse Ausblick

Die Sonne ist ein gewöhnlicher Stern:

Masse: 2£ 1030 kg

Durchmesser: 1,5 Mio km

Entfernung: 150 Mio km

Oberflächentemperatur: 5700 K

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Helioseismologie: Einblicke ins

Innere der Sonne

Theoretische Kenntnisse über das Sonneninnere

Wie ist die Sonne aufgebaut?

Theorie des Inneren Aufbaus der Sterne basiert auf denGrundgesetzen der Physik:

Energieerhaltungssatz, Massenerhaltung,Impulserhaltung

Druck und Gravitation halten sich die Waage ! die Sonne ist stabil

Aus physikalischen Gesetzen kann ein Modell der Sonne erstellt werden.

Gibt es Möglichkeiten in die Sonne „hineinzusehen“?

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HelioseismologieHelioseismologie

Ergebnisse Ausblick

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Innere der Sonne

Leightons Messungen der Sonnenoszillationen

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HelioseismologieHelioseismologie Ergebnisse Ausblick

Robert Leighton

10.9.1919 - 9.3.1997

Messungen der Bewegungen der Sonnenoberfläche

Dopplereffekt

Ziel:

Lebensdauer von Granulen

stattdessen:

Sonne schwingt im

5 Minuten Rhythmus

Astrophys. J. 1962

Woher kommen diese Schwingungen?

Granulation

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Innere der SonneTheoretische Erklärung

John Leibacher & Robert Stein Roger Ulrich

! Die Sonne schwingt wie ein Musikinstrument

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Innere der SonneTheoretische Erklärung

! Die Sonne schwingt wie ein Musikinstrument

Kleine Auslenkungen aus dem Gleichgewichtszustand der Sonne führen zu Oszillationen.

kleinen Auslenkungen = Schallwellen Anregung: Granulation

Die Überlagerung der Schallwellen führt zur Verstärkung oder zur Auslöschung.

! nur diskrete Kombinationen von Frequenz und Wellenlänge sind vorhanden

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Innere der SonneEigenschwingungen

Einzelner Schwingungsmodus Überlagerung vieler Schwingungsmodi

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Innere der SonneExperimenteller Nachweis

Franz-Ludwig Deubner, 1974

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Innere der SonneSeismologie der Sonne

Unterschiedliche Wellen laufen durch unterschiedliche Bereich in der Sonne

! Information aus verschiedenen Tiefen

Voraussetzungen:

• Genaue Messung der Frequenzen

! lange u. ununterbrochene Messungen

Seismologie der Sonne damit möglich

„Helioseismologie“

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Innere der SonneInstrumente

GONG (Global Oscillation Network Group)SoHO (Solar Heliospheric Observatory)

Netzwerk aus sechs kleinen Sonnenteleskopen seit 1995

Ständige Sonnenbeobachtung möglich (keine nächtliche Unterbrechung)

Stationen sind vollständig automatisiert.

Sonnenobservatorium im Weltraum seit 1996

ununterbrochene Sonnenbeobachtung möglich

befindet sich an einem Lagrange-Punkt

(Gleichgewicht der Anziehung von Erde u. Sonne)

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Innere der Sonne

Rotation Supergranulation Oszillationen

Vom Sonnenbild zu den Daten

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Innere der SonneInnerer Aufbau der Sonne

Schallgeschwindigkeit Dichte

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c2 [m

2 /s2 ]

[g

/cm

3 ]

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Innere der SonneZentraltemperatur der Sonne

Die Zentraltemperatur der Sonne beträgt:

15,7 £ 106 K

Unsicherheit: 2%

! Neutrinoproblem

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Innere der SonneNeutrinoproblem der Sonne

Kernfusionsprozesse im Sonneninnern

sind temperaturabhängig.

Freiwerdende Neutrinos (e) können auf

der Erde nachgewiesen werden.

Aber: Es werden weniger Neutrinos nach-gewiesen als die Theorie des inneren Aufbaus der Sonne vorhersagt (1/3 – 1/2 ).

Standard Modell: Neutrinos sind masselos.

Hätten Neutrinos eine Masse, könnten sie

vom einen in den anderen Typ wechseln.

Andere Typen waren bisher nicht nachweisbar.

Measurements of the neutrinos vs. solar's interior models

Standard model

Neutrino is massless; fixed ratio between the number of

neutrinos and the number of photons in the cosmic microwave

Background

Observation

Only detected 1/3 and 1/2 of predicted number;

neutrino oscillations

Resolutions

Neutrinos with mass change type;

Detection of multiple neutrino types

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Innere der SonneNeutrinodetektion

Sonnenaufnahme des Super-Kamiokande-Detektors im „Neutrino-Licht“

Belichtungsdauer: 504 Tage

1 Pixel entspricht 1 Winkelgrad am Himmel

Hat das Neutrino eine Masse?

Beispiel für einen Detektor

Superkamiokande in Kamioka, Japan:

50000 t Wasser

Prinzip: Wasser-Czerenkov-Detektor

Neutrino trifft auf ein Elektron

Beschleunigung auf Überlichtgeschwindigkeit

Lichtblitz (Czerenkov-Strahlung)

Detektion mit Photomultipliern

JA

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Innere der SonneDifferentielle Rotation

langjähriges Mittel der differentiellen Rotation in der Sonne

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Sonne rotiert differentiell:

Äquator rotiert schneller als die Polregionen

Bestimmung des Verlaufs der Rotation im Sonneninneren mittels Helioseismologie

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Innere der SonneZonale Strömung

Erscheinungsorte der Sonnenflecken

Differenz zwischen monatlicher Messung und langjährigem Mittel

Nicht nur das Magnetfeld variiert mit einem 11 Jahres-Rhythmus, auch die innere Dynamik der Sonne ist variabel.

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Innere der Sonne

Variationen am Boden der Konvektionszone

Variationen am Boden der Konvektionszone:

Periode 1,3 Jahre

Ist das Teil der Funktionsweise des Sonnendynamos?

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Innere der SonneDer Herzschlag der Sonne

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Innere der SonneTime-Distance Helioseismology

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Δ

Ausnutzen von der Beziehung zwischen Laufzeiten und Laufstrecken:

Hindernisse auf dem Weg einer Welle führen zu Verzögerungen am Beobachtungsort.

Damit ist das Aufspüren von Hindernissen = Schwankungen in der Schallgeschwindigkeit möglich

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Innere der SonneTiefenstruktur eines Sonnenflecks

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Innere der SonneAbbildung der Sonnenrückseite

Wellen von der Rückseite erreichen Sonnenvorderseite

Umgekehrt: Wellen von der Vorderseite erreichen Punkt auf der Rückseite

Differenz von ein- u. auslaufenden Amplituden

und

die Zeitverzögerung zw. den Wellen ergibt

holographisches Abbild der Sonnenrückseite

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Innere der SonneAbbildung der Sonnenrückseite

Verfolgung eines aktiven Gebietes während eines Umlaufs.

Auf der Rückseite:

starker Massenausbruch, hohe Strahlungsdosis

Sinn und Zweck:

Vorhersage des Auftretens aktiver Gebiete.

Warnung für bemannte Raumfahrt und

Satelliten.

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Helioseismologie: Einblicke ins

Innere der SonneAusblick

Helioseismische Untersuchung der Sonne bis in die kleinsten Details

• Wie ensteht die Sonnenaktivität?

Wie funktioniert der Sonnendynamo?

• Weltraumwetter-Vorhersage

• Seismologie auf Sternen ! Asteroseismologie

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Innere der SonneWeitere Informationen

National Solar Observatory, GONG-Group, Tucson, http://gong.nso.edu

http://www.kis.uni-freiburg.de/~mroth

Institut for Fysik og Astronomi, Aarhus, http://bigcat.phys.au.dk/helio_outreach/english/engHA0.html

Solar Oscillation Investigation Group, University of Stanford, http://soi.stanford.edu