Maunder-Minimum

War die Sonneneruption des 17. Jahrhunderts eine Seltenheit?

von Robert Sanders

BERKELEY ? Eine mysteriöse Sonnenflaute aus dem 17. Jahrhundert, die einige mit der Kleinen Eiszeit in Europa und dem globalen Klimawandel in Verbindung gebracht haben, wird durch neue Beobachtungen von Astronomen der University of California, Berkeley, noch rätselhafter.

Während 70 Jahren, von 1645 bis 1714, meldeten die frühen Astronomen fast keine Sonnenfleckenaktivität. Die Zahl der Sonnenflecken – kühlere Bereiche auf der Sonne, die sich dunkel von der helleren Umgebung abheben – ging einigen Schätzungen zufolge um das Tausendfache zurück. Obwohl die Aktivität auf der Sonne heute in einem 11-Jahres-Zyklus schwankt, war sie seither nicht mehr so ruhig.

Seit 1976, als darauf hingewiesen wurde, dass diese lange Periode geringer Sonnenfleckenaktivität, das so genannte Maunder-Minimum, mit dem kältesten Teil der Kleinen Eiszeit in Europa und Nordamerika zusammenfiel, haben Astronomen in der Nähe sonnenähnlicher Sterne nach Beispielen für stellare Minima gesucht. Sie hofften festzustellen, wie häufig solche Minima sind, und das nächste solare Minimum vorherzusagen – und vielleicht die nächste Periode der globalen Abkühlung.

Jetzt lassen Daten einer Gruppe von Astronomen der UC Berkeley Zweifel an den Hunderten von Sternen aufkommen, von denen man annahm, dass sie Beispiele für stellare Minima sind, die der ruhigen Periode entsprechen, die die Sonne vor 300 Jahren erlebte.

In einem Poster, das am Montag, den 31. Mai, auf der Tagung der Amerikanischen Astronomischen Gesellschaft in Denver vorgestellt wird, zeigt der UC Berkeley-Absolvent Jason Wright, dass fast alle vermeintlich sonnenähnlichen Sterne, die eine minimale Aktivität aufweisen, in Wirklichkeit viel heller sind als die Sonne und sich deutlich von ihr unterscheiden und daher keine Beispiele für Maunder-Minima sind. Die Ergebnisse stellen alle Studien in Frage, die diese Sterne verwenden, um Rückschlüsse auf die Aktivität der Sonne selbst und auf künftige Minima zu ziehen, so Wright.

„Sternuntersuchungen ergeben normalerweise, dass 10 bis 15 Prozent aller sonnenähnlichen Sterne in einem inaktiven Zustand wie dem Maunder-Minimum sind, was bedeuten würde, dass die Sonne etwa 10 Prozent ihrer Zeit in diesem Zustand verbringt“, so Wright. „Unsere Studie zeigt jedoch, dass die überwiegende Mehrheit der Sterne, die als Maunder-Minimum-Sterne identifiziert wurden, weit oberhalb der Hauptreihe liegen, was bedeutet, dass sie überhaupt nicht sonnenähnlich sind, sondern entweder weiterentwickelte Sterne oder Sterne, die reich an Metallen wie Eisen und Nickel sind. Wir dachten, wir wüssten, wie man Maunder-Minimum-Sterne aufspürt, aber das wissen wir nicht“, sagte er.

Die Hauptreihe ist eine Region, in der sich normale, gleichmäßig brennende Sterne häufen, wenn man sie auf einem Diagramm von Farbe und Helligkeit aufträgt. Wenn Sterne jedoch älter werden, werden sie röter und heller – sie werden zu so genannten Unterriesensternen – und bewegen sich von der Hauptreihe nach oben. Die Sonne befindet sich seit etwa 5 Milliarden Jahren auf der Hauptreihe, seit sie sich nach der Zündung der Wasserstofffusion in ihrem Kern niedergelassen hat, und wird dort weitere 5 Milliarden Jahre bleiben, bis sie anfängt, sich aufzublähen und zu einem Unterriesen wird.

„Tatsache ist, dass wir immer noch nicht verstehen, was in unserer Sonne vor sich geht, wie Magnetfelder den 11-jährigen Sonnenzyklus erzeugen oder was das magnetische Maunder-Minimum verursacht hat“, sagte Wrights Berater, Geoffrey Marcy, Professor für Astronomie an der UC Berkeley. „Insbesondere wissen wir nicht, wie oft ein sonnenähnlicher Stern in ein Maunder-Minimum fällt oder wann das nächste Minimum eintreten wird. Es könnte morgen sein.“

Der Rückgang der Sonnenaktivität im späten 17. und frühen 18. Jahrhundert wurde 1893 von dem englischen Astronomen Edward Walter Maunder bekannt gemacht, der im gleichen Zeitraum auch einen Rückgang der Intensität und Häufigkeit des Nordlichts feststellte, das durch Sonnenstürme verursacht wird. 1976 überprüfte der Astronom John Eddy verschiedene Belege für das Maunder-Minimum und kam nicht nur zu dem Schluss, dass es wirklich existiert, sondern zitierte auch eine Arbeit aus dem Jahr 1961, in der das Minimum mit einer gleichzeitigen Abkühlung in ganz Europa in Verbindung gebracht wurde, die möglicherweise auf eine geringere Energieabgabe der Sonne zurückzuführen war. Die Sonne und sonnenähnliche Sterne sind schwächer, wenn sie inaktiv sind.

Die Idee eines Maunder-Minimums ist jedoch umstritten, weil niemand wirklich weiß, wie genau die Menschen die Sonne Mitte des 16. Jahrhunderts, nur 40 Jahre nach der Erfindung des Teleskops, beobachteten. Es gibt keine Aufzeichnungen über die Sonnenaktivität vor dem Maunder-Minimum, obwohl ein Anstieg der Aktivität sein Ende im Jahr 1714 signalisierte.

Unklarheit herrscht auch über die Ursache der Kleinen Eiszeit, die um 1300 n. Chr. begann und mehrere hundert Jahre andauerte. Sie zeichnete sich durch kältere als normale Winter und kühle Sommer auf der gesamten Nordhalbkugel aus und wurde möglicherweise durch Treibhausgase und Partikel, die von Vulkanen in die Atmosphäre geschleudert wurden, oder durch Schwankungen in der Sonnenleistung verursacht.

Viele Klimaexperten nehmen das Maunder-Minimum jedoch ernst, und Astronomen haben eine lange Liste von Sternen zusammengestellt, die angeblich den gleichen Aktivitätsrückgang aufweisen, der durch eine verringerte Emission des Elements Kalzium in der Sternatmosphäre belegt wird. Die Sonnenaktivität ist durch starke Magnetfelder gekennzeichnet, die die obere Atmosphäre oder Chromosphäre der Sonne auf etwa 8.000 bis 10.000 Grad Kelvin aufheizen und das Kalzium dazu anregen, blaues Licht auszustrahlen.

Die Frage, so Wright, ist, ob die Ursache für die verringerte Kalziumemission ein stellares Maunder-Minimum ist oder etwas anderes, wie das Alter – Sterne drehen sich langsamer, wenn sie altern, verlieren ihren magnetischen Dynamo und erzeugen keine Magnetfelder oder Flecken mehr – oder ein hoher Metallgehalt. „Wir haben jetzt herausgefunden, dass es sich nicht um ein Maunder-Minimum handelt“, sagte er.

„Die Astronomen haben angenommen, dass sonnenähnliche Sterne, die einen stellaren Funk durchlaufen, eigentlich sehr, sehr alte Sterne sind, deren Magnetfelder sich für immer abgeschaltet haben. Sie befinden sich nicht in einem vorübergehenden
Minimum, sondern in einem permanenten. Sie sind tot“, sagte Marcy. „Die Sonne wird sich in etwa 4 Milliarden Jahren in diesem Zustand befinden.“

„Dies bedeutet, dass, wenn andere Sterne ein eigenes Maunder-Minimum durchlaufen, es sich entweder um ein seltenes Ereignis handelt, das in Aktivitätsmessungen fast unentdeckt bleibt, oder es wird nicht unbedingt durch niedrige Kalzium-Emissionswerte angezeigt“, schrieb Wright. Daher, so fügte er hinzu, ist ein anderes Kriterium erforderlich, um jene Sterne zu erkennen, die sich in einem stellaren Abschwung befinden.

Das Problem mit Sternen, von denen man annimmt, dass sie sich in einem Maunder-Minimum befinden, blieb unbemerkt, weil erst 1998 der Hipparcos-Satellit gestartet wurde und begann, die genauen Entfernungen zu vielen nahen Sternen zu bestimmen. Dadurch wurde es möglich, die absolute Helligkeit dieser Sterne zu berechnen und sie genau in ein Farb-Helligkeits-Diagramm, das so genannte Hertzsprung-Russell-Diagramm, einzuordnen.

Wright beschloss, Maunder-Minimum-Sterne systematisch zu untersuchen, nachdem er und Marcy festgestellt hatten, dass viele scheinbar inaktive Sterne in der Nähe tatsächlich heller waren als Hauptreihensterne. Sie sammelten Spektren von mehr als 1.000 nahen Sternen, um nach Hinweisen auf Planeten zu suchen.

In seiner Analyse verwendete Wright Hipparcos-Entfernungsdaten, um die absolute Helligkeit von mehreren tausend nahen Sternen zu bestimmen, die nicht nur von Marcys California und Carnegie Planet Search Program, sondern auch von anderen Projekten wie dem Mount Wilson H-K Project und dem Project Phoenix untersucht wurden. Er wies darauf hin, dass einige der Sterne, die zuvor als Maunder-Minimum-Sterne identifiziert wurden, möglicherweise metallreiche Sterne sind, die auch heller als unsere Sonne brennen und weniger Aktivität zeigen. Weitere Analysen von Sternen in der Nähe sind erforderlich, um diese ruhigen Sterne zu charakterisieren.

Die Ergebnisse, die im Astrophysical Journal veröffentlicht wurden, sind das Ergebnis von Arbeiten, die von Sun Microsystems, der National Aeronautics and Space Administration und der National Science Foundation unterstützt wurden.