Für die Wissenschaft gibt es immer mehr Möglichkeiten das Zentrum des Sonnensystems, das großen Einfluss auf uns hat, zu beobachten. Dies gelingt nun noch besser – dank einer an der Universität Graz neu entwickelten KI-gestützten Methode. „Die Sonne ist der uns nächste Stern und ermöglicht das Leben auf der Erde durch die Energie, die sie uns in Form von Licht und Wärme zur Verfügung stellt“, hält Astrid Veronig fest. Die Astrophysikerin ist an der Universität Graz tätig, absolviert gerade einen Forschungsaufenthalt in den USA und hat – gemeinsam mit ihrem Doktoranden Christoph Schirninger und Kollegen am High Altitude Observatory (Colorado) – eine Methode entwickelt, um die Sonne besser zu beobachten.
Auswirkungen der Sonne
Über die Auswirkungen der Sonne – auch auf unseren Planeten – sagt die Expertin: „Die Sonne ist zugleich eine Quelle von hochenergetischen Ausbrüchen, in Form von Strahlung (sog. ‚Flares’) und Materie (sog. ‚koronale Massenauswürfe‘). Koronale Massenauswürfe können sich mit Geschwindigkeiten von Millionen Kilometern pro Stunde durch den interplanetaren Raum ausbreiten und einige Tage später auf der Erde auftreffen. Diese Ausbrüche werden von starken Magnetfeldkonzentrationen, wie sie insbesondere in den dunklen Sonnenflecken vorkommen, hervorgerufen, und können Störungen des ‚Weltraumwetters‘ auf der Erde hervorrufen.“ Zu diesem Weltraumwetter zählen Naturerscheinungen wie Polarlichter, aber es hat auch Auswirkungen wie die Beeinträchtigung von Satellitenelektronik, die Änderung von Satellitenbahnen oder – in Extremfällen – Stromausfällen auf der Erde.
Teleskope
In der Sonnenphysik kommen – wie bei allen astronomischen Beobachtungen – Teleskope zum Einsatz. Teleskope können sich entweder auf Observatorien auf der Erde oder auf Satelliten befinden. „Satelliten werden insbesondere für Beobachtungen bei Wellenlängen eingesetzt, die von der Erde aus nicht beobachtet werden können, da sie von der Erdatmosphäre absorbiert werden, wie zum Beispiel Röntgenstrahlung oder Strahlung im extremen Ultravioletten. Generell gilt in der Astrophysik: je größer ein Teleskop, desto besser“, erklärt Astrid Veronig. Größere Teleskope können mehr Strahlung von den entfernten Objekten – wie zum Beispiel Sternen – einfangen und sie ermöglichen ebenso eine bessere räumliche Auflösung. „Allerdings kommt es bei Beobachtungen von der Erde aus zu Bildunschärfen, aufgrund von Turbulenzen in den bodennahen Luftschichten.“
Bessere Sicht
Die neue an der Universität Graz entwickelte KI-gestützte Methode korrigiert diese Bildunschärfen und ermöglicht somit eine bessere Sicht auf die Sonne. Es gibt verschiedene Zugänge, um die Unschärfen und Verzerrungen, die die Erdatmosphäre in den aufgenommenen Bildern verursacht, zu beheben. Zum einen durch technische Maßnahmen, wie adaptive Optiken. In diesem Verfahren werden bereits direkt während der Beobachtung Störungen der eintreffenden Wellenfronten ermittelt und – so gut es geht – durch verformbare Spiegelelemente im Teleskop kompensiert. Zum anderen passieren die Korrekturen erst durch Berechnungen nach der Beobachtung, indem in sehr kurzer Zeit viele kurzzeitbelichtete Aufnahmen der Sonne gemacht werden, zum Beispiel 100 Aufnahmen innerhalb einer Sekunde, jede mit einer Belichtungszeit von wenigen Millisekunden. Das zugrunde liegende Prinzip besteht darin, dass sich der Zustand der Sonnenoberfläche innerhalb einer Sekunde nicht merklich ändert, der Zustand der Erdatmosphäre durch die Turbulenzen jedoch schon. Somit kann man beide Phänomene voneinander trennen, und das originale Sonnenbild (ohne Störungen) wieder herstellen.
Einsatz von KI
Die Methode von Astrid Veronig und Christoph Schirninger verbindet physikalisches Wissen mit maschinellem Lernen. Dabei arbeitet man mit Künstlicher Intelligenz. Diese nutzt physikalische Modelle und Gleichungen dazu, wie Licht und Atmosphäre in Wechselwirkung stehen. Dadurch wird es möglich, Bildinformationen von den atmosphärische Störungen zu trennen und die Bilder zu rekonstruieren. Astrid Veronig: „An sich braucht es dazu nicht unbedingt Künstliche Intelligenz, es gibt klassische mathematische Verfahren. Aber, wie wir in unserer Studie zeigen konnten, kann die Künstliche Intelligenz mindestens gleich gute und zum Teil sogar bessere Lösungen liefern als die klassischen Methoden, und hat zugleich das Potential, dass die Rechnungen viel schneller durchgeführt werden können.“ Die Methode haben die beiden anhand von Simulationsdaten und Beobachtungen der gegenwärtig größten Sonnenteleskope – wie dem Daniel K. Inouye Solar Telescope auf Hawaii – überprüft. Künftig wäre es ebenso möglich, die Bildrekonstruktionen direkt während der Beobachtung zu rechnen – dann hätte man bereits in Echtzeit die besten Bilder zur Verfügung und bräuchte zudem weniger Speicherplatz.
Dynamisches System
Die Astrophysikerin erklärt, warum es überhaupt wichtig ist, die Sonne so genau beobachten zu können: Die Oberfläche der Sonne hat sehr hohe Temperaturen von etwa 5.500° Celsius und ist sehr dynamisch. Das Magnetfeld der Sonne ist die Ursache für hochenergetische Ausbrüche und Störungen unseres Weltraumwetters. Durch Bewegungen des Sonnenplasmas können Magnetfelder erzeugt und verstärkt werden. „Diese Prozesse sind stark mit in den kleinskaligen Strukturen und Plasmabewegungen auf der Sonnenoberfläche verknüpft. Um diese im Detail analysieren zu können, braucht es die besten Aufnahmen von Großteleskopen mit der höchstmöglichen Auflösung.“ Die Methode könnte die Sonnenbeobachtung nachhaltig verändern und das neue Verfahren könnte etwa für das geplante European Solar Telescope eingesetzt werden.
