Einfach unwiderstehlich: die Entstehung eines Magnetsterns

Für die Kosmologie entwickelte Simulationen zeigen, wie bei der Verschmelzung zweier Sterne ein starkes Magnetfeld entsteht

9. Oktober 2019

Alle Neutronensterne sind magnetisch, aber manche sind magnetischer. Bei Letzteren, den sogenannten Magnetaren, handelt es sich um die stärksten Magnete im gesamten Universum. Der Grund für ihr außergewöhnlich starkes Magnetfeld liegt vermutlich darin, dass sie in Supernovae von bereits hochmagnetisierten Sternen entstehen. Aber wie kommen diese massereichen Sterne zu ihrem großen magnetischen Feld? Ein Team von Astrophysikern aus Deutschland und Großbritannien könnte dieses mehr als 70 Jahre alte Rätsel nun gelöst haben: Mithilfe umfangreicher Computersimulationen haben sie ein Modell entwickelt, das zeigt, wie diese Magnetfelder bei der Verschmelzung von Sternen entstehen. Die Ergebnisse der Studie wurden jetzt in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Unser Universum ist von Magnetfeldern durchzogen. “Wir wissen zum Beispiel, dass die Sonne eine Hülle hat, in der konvektive Ströme ununterbrochen magnetische Felder erzeugen. Obwohl massereichere Sterne keine solche konvektive Hülle besitzen, haben trotzdem 10 Prozent ein starkes, großskaliges Magnetfeld an der Oberfläche. Dessen Ursprung war uns seit seiner Entdeckung im Jahr 1947 jedoch unbekannt”, so Fabian Schneider von der Universität Heidelberg, Erstautor der Studie. Astronomen gehen davon aus, dass genau diese Sterne bei der Explosion in Supernovae hochmagnetische Neutronensterne bilden.

Neuer Code zeigt die Entstehung magnetischer Felder

Die Simulation zeigt die Entstehung eines Magnetsterns, wie z.B. Tau Scorpii. Auf der Abbildung ist ein Schnitt durch die Bahnebene zu sehen. Die Färbung zeigt die Stärke des Magnetfelds, die Schraffierung stellt die Feldlinien dar.

“Schon vor über einem Jahrzehnt vermutete man, dass starke Magnetfelder entstehen, wenn zwei Sterne verschmelzen”, sagt Sebastian Ohlmann von der Max-Planck-Gesellschaft in Garching bei München. “Bis jetzt waren wir jedoch nicht in der Lage, diese Hypothese zu testen, weil es uns an den dafür nötigen Computertools fehlte.” Dieses Mal verwendete das Team den AREPO-Code, der von Volker Springel und Rüdiger Pakmor vom MPA ursprünglich für kosmologische Simulationen entwickelt wurde. „Es freut mich, dass diese Methode jetzt auch für ganz andere Bereiche der Astrophysik nützlich ist“, sagt Volker Springel. Hier zeigt sich, dass bei der Verschmelzung zweier Sterne dank der starken Scherung und der heftigen Turbulenz tatsächlich ein starkes Magnetfeld entsteht. Diese Sternverschmelzungen kommen relativ häufig vor und man geht davon aus, dass ungefähr 10 Prozent aller massereichen Sterne in der Milchstraße das Produkt einer solchen Verschmelzung sind – was sehr gut zu der Häufigkeit passen würde, mit der magnetische Sterne auftreten.

Doppelter Effekt von Sternverschmelzungen

Wenn Sterne verschmelzen, erscheinen sie deutlich jünger als sie tatsächlich sind. Dieses Phänomen ist weithin bekannt und die betreffenden Sterne werden Blaue Nachzügler (im Englischen: Blue Stragglers) genannt. “2016 haben wir herausgefunden, dass es sich bei dem magnetischen Stern Tau Scorpii (τ Sco) um einen Blauen Nachzügler handelt. Und falls τ Sco das Produkt einer Sternverschmelzung ist, dann würde dies sein ungewöhnlich junges Alter erklären”, erklärt Philipp Podsiadlowski von der Universität Oxford. “Wir gehen davon aus, dass auch dieser Stern sein starkes Magnetfeld bei der Verschmelzung erhalten hat.”

Am Ende seines Lebens wird τ Sco in einer Supernova explodieren, wenn sein Kern kollabiert. Dabei wird höchstwahrscheinlich ein hochmagnetischer Neutronenstern entstehen. “Diese Magnetare besitzen vermutlich die stärksten Magnetfelder im gesamten Universum – einhundert Millionen Mal stärker als das stärkste Magnetfeld, das jemals von Menschen erzeugt wurde“, so Friedrich Röpke vom HITS. “Unsere Simulationen zeigen, dass das entstandene Magnetfeld ausreichend wäre, um die außergewöhnlich starken Felder zu erklären, die wir bei Magnetaren vermuten”, fügt Fabian Schneider hinzu. “Damit haben wir ein vielversprechendes Modell, mit dem sich der Ursprung solch extrem starker Magnetfelder erklären lässt. Es ist schön zu sehen, dass unsere ursprüngliche Idee so wunderbar aufgeht.”

Magnetfeldverteilung bei der Entstehung eines Magnetsterns

Die Simulation zeigt die Entstehung eines Magnetsterns, wie zum Beispiel Tau Scorpii. Auf der Abbildung ist ein Schnitt durch die Bahnebene zu sehen. Die Färbung zeigt die Stärke des Magnetfelds, die Schraffierung stellt die Feldlinie dar.

Dichteverteilung bei der Entstehung eines Magnetsterns

Die Simulation zeigt die Entstehung eines Magnetsterns, wie zum Beispiel Tau Scorpii. Auf der Abbildung ist ein Schnitt durch die Bahnebene zu sehen. Die Färbung zeigt die Dichte des Magnetfelds.

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