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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
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
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“?
EinführungGeschichte der
HelioseismologieHelioseismologie
Ergebnisse Ausblick
Helioseismologie: Einblicke ins
Innere der Sonne
Leightons Messungen der Sonnenoszillationen
EinführungGeschichte der
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
Helioseismologie: Einblicke ins
Innere der SonneTheoretische Erklärung
John Leibacher & Robert Stein Roger Ulrich
! Die Sonne schwingt wie ein Musikinstrument
EinführungGeschichte der
HelioseismologieHelioseismologie Ergebnisse Ausblick
Helioseismologie: Einblicke ins
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
EinführungGeschichte der
HelioseismologieHelioseismologie Ergebnisse Ausblick
Helioseismologie: Einblicke ins
Innere der SonneEigenschwingungen
Einzelner Schwingungsmodus Überlagerung vieler Schwingungsmodi
EinführungGeschichte der
HelioseismologieHelioseismologie Ergebnisse Ausblick
Helioseismologie: Einblicke ins
Innere der SonneExperimenteller Nachweis
Franz-Ludwig Deubner, 1974
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HelioseismologieHelioseismologie Ergebnisse Ausblick
Helioseismologie: Einblicke ins
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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HelioseismologieHelioseismologie Ergebnisse Ausblick
Helioseismologie: Einblicke ins
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)
EinführungGeschichte der
HelioseismologieHelioseismologie Ergebnisse Ausblick
Helioseismologie: Einblicke ins
Innere der Sonne
Rotation Supergranulation Oszillationen
Vom Sonnenbild zu den Daten
EinführungGeschichte der
HelioseismologieHelioseismologie Ergebnisse Ausblick
Helioseismologie: Einblicke ins
Innere der SonneInnerer Aufbau der Sonne
Schallgeschwindigkeit Dichte
EinführungGeschichte der
HelioseismologieHelioseismologie Ergebnisse Ausblick
c2 [m
2 /s2 ]
[g
/cm
3 ]
Helioseismologie: Einblicke ins
Innere der SonneZentraltemperatur der Sonne
Die Zentraltemperatur der Sonne beträgt:
15,7 £ 106 K
Unsicherheit: 2%
! Neutrinoproblem
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HelioseismologieHelioseismologie Ergebnisse Ausblick
Helioseismologie: Einblicke ins
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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HelioseismologieHelioseismologie Ergebnisse Ausblick
Helioseismologie: Einblicke ins
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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HelioseismologieHelioseismologie Ergebnisse Ausblick
Helioseismologie: Einblicke ins
Innere der SonneDifferentielle Rotation
langjähriges Mittel der differentiellen Rotation in der Sonne
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HelioseismologieHelioseismologie Ergebnisse Ausblick
Sonne rotiert differentiell:
Äquator rotiert schneller als die Polregionen
Bestimmung des Verlaufs der Rotation im Sonneninneren mittels Helioseismologie
Helioseismologie: Einblicke ins
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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HelioseismologieHelioseismologie Ergebnisse Ausblick
Helioseismologie: Einblicke ins
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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HelioseismologieHelioseismologie Ergebnisse Ausblick
Helioseismologie: Einblicke ins
Innere der SonneDer Herzschlag der Sonne
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HelioseismologieHelioseismologie Ergebnisse Ausblick
Helioseismologie: Einblicke ins
Innere der SonneTime-Distance Helioseismology
EinführungGeschichte der
HelioseismologieHelioseismologie Ergebnisse Ausblick
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
Helioseismologie: Einblicke ins
Innere der SonneTiefenstruktur eines Sonnenflecks
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HelioseismologieHelioseismologie Ergebnisse Ausblick
Helioseismologie: Einblicke ins
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
EinführungGeschichte der
HelioseismologieHelioseismologie Ergebnisse Ausblick
Helioseismologie: Einblicke ins
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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HelioseismologieHelioseismologie Ergebnisse Ausblick
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
EinführungGeschichte der
HelioseismologieHelioseismologie Ergebnisse Ausblick
Helioseismologie: Einblicke ins
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