Magnetischer Knick im Sonnenwind trägt Teilchen aus Sonnenschleifen

Ein Knick im Magnetfeld des Sonnenwinds lässt sich auf heiße, geschlossene Magnetfeldschleifen an der Sonnenoberfläche zurückführen. Das berichtet ein Team um Jesse Coburn vom französischen Forschungszentrum CNRS/LPP in der Fachzeitschrift Nature Astronomy. Die Raumsonde Solar Orbiter der ESA hatte einen solchen Knick, einen sogenannten Switchback, durchflogen und die darin enthaltenen Teilchen vermessen.

Der Sonnenwind ist ein Strom heißer geladener Teilchen, dem sogenannten Plasma, der ständig von der Sonne in den Weltraum strömt. Er zieht das Magnetfeld der Sonne entlang von Feldlinien nach außen. Diese Linien können sich verdrehen, abreißen oder auf sich selbst zurückfalten. Faltet sich eine Feldlinie scharf um, entsteht ein Switchback.

Raumsonden beobachten Switchbacks häufig in Sonnennähe, doch wie sie entstehen, ist Gegenstand einer Debatte. Die ESA hatte bereits 2022 berichtet, Solar Orbiter habe einen Switchback entdeckt. Dabei bestätigte sich, dass er S-förmig ist, was Fachleute vorhergesagt, aber nie direkt gesehen hatten.

So wurden die Teilchen gemessen

Das Team nutzte das Instrument Solar Wind Analyser an Bord von Solar Orbiter, um das Plasma des Switchbacks zu untersuchen. Die Sonde befand sich damals bei 0,55 AU von der Sonne, also deutlich näher an ihr als die Erde. Eine astronomische Einheit (AU) entspricht dem mittleren Abstand zwischen Erde und Sonne, 0,55 AU sind ungefähr 120 Sonnenradien.

Solar Orbiter sei durch einen sehr großen Switchback geflogen, sagt Coburn. Deshalb habe man selten beobachtete Teilchen erfassen können, die verräterische Spuren ihrer Herkunft tragen. Gemessen wurden geladene Schwerionen, also Atome, die schwerer sind als Wasserstoff. Die Forschenden bestimmten unter anderem Verhältnisse der Ladungszustände von Sauerstoff und Kohlenstoff sowie die Häufigkeit von Helium im Vergleich zu Protonen.

Um die Quelle zu finden, schufen sie ein neues Modell. Es verknüpft die Messungen von Solar Orbiter mit Daten des Solar Dynamics Observatory der US-Raumfahrtbehörde NASA. Das halbempirische Modell der Sonnenkorona stützt sich auf Messungen von Elektronentemperatur und Elektronendichte dieses Observatoriums. Zusätzlich wurden Bilder der Sonnenscheibe ausgewertet und die Magnetfelder der Sonne und des umgebenden Raums modelliert.

Eine Unsicherheit liegt in der angenommenen Höhe der sogenannten Quellfläche, ab der die Feldlinien rein radial verlaufen. Die Forschenden variierten diese Höhe zwischen 1,5 und 3 Sonnenradien. In diesem Fall änderte das die Fußpunkte der Feldlinien auf der Sonne nicht stark. Im Modell war Solar Orbiter für diese Parameterwahl höchstwahrscheinlich mit einem großen äquatornahen Koronaloch verbunden.

Die Fingerabdrücke der Schleifen

Im Switchback fanden die Forschenden ein Gemisch geladener Sauerstoff- und Kohlenstoffteilchen, das nach Einschätzung der Forschenden nur auf einem Weg entstehen kann: in heißen Magnetfeldschleifen an der Sonnenoberfläche. Die Verhältnisse der Ladungszustände von Sauerstoff und Kohlenstoff waren erhöht, Helium war im Vergleich zu Protonen abgereichert. Beides deutet laut Studie auf heiße, geschlossene Schleifen der Korona als Ursprung des Plasmas.

Das Modell führt die Ionensignaturen auf zwei mögliche Orte zurück: den Rand eines Koronalochs oder Schleifen innerhalb des Koronalochs. Als Entstehungsmechanismus nennen die Forschenden die Austauschrekonnexion, englisch interchange reconnection. Dabei verbinden sich geschlossene Schleifen mit offenem Magnetfeld neu und schleudern Plasma hinaus.

Coburn bezeichnet die spezielle Teilchenmischung als „smoking gun“ für diesen Prozess, so die ESA. Dieser Vorgang findet statt, wenn Bereiche der Sonne mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften aufeinandertreffen. In offenen Regionen reichen die Feldlinien weit in den Raum, sodass Material entlang ihnen ins All strömen kann. Geschlossene Regionen haben Linien, die in den Raum ragen und zur Sonne zurückbiegen, es entstehen Schleifen. Trifft eine offene auf eine geschlossene Region, können sich die Linien drängen, aufbrechen und neu verbinden. Dann kann Plasma, das zuvor in einer Schleife gefangen war, ins All entweichen.

Zwei Mechanismen, zwei Phasen

Eine konkurrierende Theorie führt Switchbacks auf Wellen und Turbulenz zurück. Auch dafür gibt es Hinweise: Die Fluktuationen von Protonengeschwindigkeit und Magnetfeld passen zu einer nach außen laufenden Alfvén-Welle. Eine solche Welle ist eine magnetohydrodynamische Welle, die sich entlang der Feldlinien ausbreitet. Mitautorin Stephanie Yardley von der Northumbria University in Großbritannien sagt, diese Anzeichen sehe man wohl erst, nachdem der Switchback in den Weltraum hinausgelaufen sei.

Yardley folgert, beide Prozesse seien beteiligt: die Austauschrekonnexion sowie Wellen und Turbulenz. Sie wirkten nur in verschiedenen Lebensphasen eines Switchbacks. Die Studie formuliert es so, dass Austauschrekonnexion die Herkunft und Wellen oder Turbulenz die Ausbreitung bestimmten.

Switchbacks tragen laut den Autoren messbare Signaturen. Sie enthielten Informationen über die Vorgänge, die die Sonnenatmosphäre heizen und den Sonnenwind beschleunigen. Die Sonnenatmosphäre präge den Teilchen des Winds ihre Signatur auf. Das könnte nach Angaben der ESA ein Weg sein, die Geschichte von Sonnenplasma selbst weit von der Sonne entfernt abzulesen.

Einordnung

Die Studie stellt zwei Erklärungsansätze für die Heizung der Sonnenatmosphäre und die Beschleunigung des Sonnenwinds nebeneinander: Wellen und Turbulenz auf der einen, Rekonnexion auf der anderen Seite. Ein Vergleich mit Beobachtungen werde dadurch erschwert, dass sich Dichte und Temperatur in der Sonnenatmosphäre drastisch ändern, etwa in der Übergangsregion.

Auch frühere Arbeiten gehen verschiedene Wege. Eine Arbeit auf dem Preprint-Server arXiv, die Daten der NASA-Sonde Parker Solar Probe auswertet, untersuchte Entwicklung und Inhalt von Switchbacks. Der typische Rotationswinkel nahm demnach mit dem Abstand von der Sonne zu. Der Sonnenwind im Inneren der Switchbacks war schneller als außerhalb, weil die Ionen mit der magnetischen Struktur mit der Alfvén-Geschwindigkeit mitwandern.

Eine Arbeit von 2021 simulierte dagegen eine mögliche Entstehung in der unteren Sonnenatmosphäre. In dreidimensionalen magnetohydrodynamischen Simulationen einer starken magnetischen Flussröhre bildeten sich Switchbacks in chromosphärischen Höhen. Sie schienen jedoch nicht in die Höhen der Korona zu gelangen. Die Autoren folgerten, im Sonnenwind gemessene Switchbacks stammten wahrscheinlich nicht aus Photosphäre oder Chromosphäre.

Die neue Studie verortet die Quelle des Plasmas in geschlossenen Schleifen der Korona. Die Entstehung der magnetischen Knicke selbst geht sie nach Angaben der Autoren nicht direkt an.

Die ESA ordnet den Befund breiter ein: Er zeige, wie die Sonne ihre Atmosphäre heize und Teilchen des Sonnenwinds ins All beschleunige. Daniel Müller, Projektwissenschaftler der ESA für Solar Orbiter, verweist auf Weltraumwetter. Je mehr man wisse, desto besser könne man sich auf Sonnenstürme vorbereiten, um Infrastruktur und Technik im All zu schützen.

Wie belastbar ist das?

• Die Studie ist ein Fachartikel in Nature Astronomy, der am 8. Oktober 2026 erschien.
• Sie beruht auf Messungen der Raumsonde bei 0,55 AU in einem einzelnen großen Switchback, nicht auf einer Stichprobe vieler Ereignisse.
• Die Herkunftsorte auf der Sonne stammen aus einem Modell, das mit Beobachtungsdaten gestützt wurde, nicht aus einer direkten Messung der Quelle.
• Die Verbindung zwischen Sonde und Sonne hängt von angenommenen Parametern ab, etwa der Höhe der Quellfläche, die als größte Unsicherheit für die Fußpunkte gilt.
• Gefördert wurde die Arbeit unter anderem von der britischen Forschungsförderung UKRI und deren Science and Technology Facilities Council, über einen NASA-Vertrag für das Schwerionen-Instrument und vom italienischen Astrophysik-Institut INAF.
• Die Studie zeigt nicht, wie Switchbacks im Detail entstehen. Ob alle Switchbacks aus geschlossenen Schleifen stammen, lässt sich aus einem einzelnen untersuchten Ereignis nicht ableiten.

Offene Fragen

Offen bleibt, wie verbreitet der nachgewiesene Entstehungsweg ist. Die Beobachtung gilt für einen einzelnen großen Switchback. Wie häufig Switchbacks eine solche Teilchenmischung tragen, ist bislang unklar. Switchbacks an anderen Orten und in anderen Abständen zur Sonne könnten sich anders verhalten.

Auch die Frage nach dem Zusammenspiel der Mechanismen bleibt bestehen. Die Autoren sehen Austauschrekonnexion und Wellen oder Turbulenz als Teile einer gemeinsamen Geschichte, unterscheiden aber nach Phase im Leben des Switchbacks.

Weitere Quellen

• Pressemitteilung „ESA - Solar Orbiter tracks origin of mysterious magnetic switchbacks“, ESA. Quelle, abgerufen am 24.10.2026
• Switchbacks in the solar magnetic field: their evolution, their content, and their effects on the plasma, V2 (arxiv.org). Quelle, abgerufen am 24.10.2026
• Could switchbacks originate in the lower solar atmosphere? I. Formation mechanisms of switchbacks (arxiv.org). Quelle, abgerufen am 24.10.2026

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