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Dicht gepackte Sterne und glühendes Gas in der massiven Sternentstehungsregion NGC346 in der Kleinen Magellanschen Wolke (Bildnachweis: NASA, ESA, A. James (STScI))

Zum ersten Mal haben Astronomen die Magnetfelder von massiven, glühend heißen Sternen außerhalb unserer Galaxie entdeckt. Es handelt sich um Sterne, die in unseren galaktischen Begleitern, der Großen Magellanschen Wolke (LMC) und der Kleinen Magellanschen Wolke (SMC), leben.

Die Entdeckung des stellaren Magnetismus in diesen Satellitengalaxien der Milchstraße, die beide eine große Population junger Sterne aufweisen, bietet den Wissenschaftlern die einzigartige Möglichkeit, aktiv entstehende Sterne zu untersuchen. Es könnte auch die Frage beantworten, wie viel Masse ein Stern anhäufen kann, bevor er an Stabilität verliert.

Magnetismus ist ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung massereicher Sterne und kann auch bestimmen, wie sie ihr Leben beenden werden. Sterne, die mehr als achtmal so massiv sind wie die Sonne, hinterlassen Neutronensterne oder Schwarze Löcher, nachdem sie einen gewaltsamen Supernova-Tod gestorben sind, der von den Magnetfeldern des jeweiligen Sterns beeinflusst wird. Es wird angenommen, dass der Magnetismus auch eine Schlüsselrolle bei der Entstehung von Röntgenblitzen und Gammastrahlenausbrüchen spielt, die von sterbenden Sternen ausgehen.

Die jungen Sterne der SMC und LMC, die 200.000 bzw. 158.000 Lichtjahre von der Erde entfernt sind, sind vermutlich arm an „Metallen“, einem Begriff, den Astronomen für Elemente verwenden, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind. Dies macht diese relativ nahen Sterne zu einem guten „Stellvertreter“ für die ersten Sterne im 13,8 Milliarden Jahre alten Kosmos, die zu weit entfernt sind, um sie im Detail zu untersuchen, selbst mit den uns zur Verfügung stehenden Instrumenten.

Die erste Generation von Sternen bildete sich, als Wasserstoff und Helium im Universum weitaus häufiger vorkamen als schwerere Elemente, was bedeutet, dass diese ersten Sterne ebenfalls „metallarm“ waren. Die Untersuchung dieser relativ nahen SMC- und LMC-Sterne kann uns daher helfen, die Entwicklung der ersten Sterne des Universums zu verstehen.

„Untersuchungen von Magnetfeldern in massereichen Sternen in Galaxien mit jungen Sternpopulationen liefern entscheidende Informationen über die Rolle von Magnetfeldern bei der Sternentstehung im frühen Universum mit sternbildendem Gas, das nicht durch Metalle verunreinigt ist“, sagte Forschungsleiterin Swetlana Hubrig vom Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) in einer Erklärung.

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Die Messung des stellaren Magnetismus in unserer kosmischen Nachbarschaft ist knifflig

Um diese magnetische Studie für Sterne in der SMC und LMC durchzuführen, wandte sich das Team an das so genannte niedrig auflösende Spektropolarimeter Focal Reducer/low dispersion Spectrograph 2 (FORS2). Dieses Instrument ist an einem der vier 8-Meter-Teleskope des Very Large Telescope (VLT) in der Atacama-Wüste im Norden Chiles angebracht.

Astronomen messen stellare Magnetfelder mit Hilfe der Lichtpolarisation, d. h. der Gleichförmigkeit der Richtung, in die sich die Lichtwellen ausrichten. Der Schlüssel dazu ist, dass die Lichtpolarisation eines Sterns durch die Ausrichtung der Magnetfelder bestimmt wird, die auf ihn einwirken.

Diese Technik, die als „Spektropolarimetrie“ bezeichnet wird, verwendet zirkular polarisiertes Sternenlicht, d. h. zwei gleichphasige Lichtwellen in zwei Ebenen, die um 90 Grad zueinander ausgerichtet sind, was bei der Annäherung an einen Beobachter den Eindruck erweckt, dass er sich dreht.

Ein Diagramm mit linearer und zirkularer Polarisation. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Um kleinste Veränderungen im Sternenlicht zu erkennen, ist die Spektropolarimetrie auf ein hohes Maß an Genauigkeit bei den Polarisationsmessungen angewiesen, was qualitativ hochwertige Daten erfordert.

„Die Methode ist extrem hungrig nach Photonen [den Teilchen des Lichts] “, sagte Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) Wissenschaftlerin und Teammitglied Silva Järvinen in der Erklärung. „Das ist eine besondere Herausforderung, denn selbst die hellsten massereichen Sterne, die mehr als acht Sonnenmassen haben, sind relativ lichtarm, wenn sie in unseren Nachbargalaxien, der LMC und SMC, beobachtet werden.“

Das bedeutet, dass herkömmliche hochauflösende Spektropolarimeter und kleinere Teleskope nicht in der Lage sind, die Art von Daten zu sammeln, die für spektropolarimetrische Untersuchungen von Sternen außerhalb der Milchstraße benötigt werden, selbst wenn diese in unserer kosmischen Nachbarschaft liegen.

Es gibt noch weitere Herausforderungen, die mit der Durchführung von Spektropolarimetrie außerhalb der Milchstraße verbunden sind. Das Magnetfeld, das bei zirkularer Polarisation gemessen wird, wird als „longitudinales Magnetfeld“ bezeichnet und zeigt in Richtung des Beobachters. Fast wie das Licht eines Leuchtturms ist der Strahl am einfachsten zu sehen, wenn er direkt auf einen Beobachter gerichtet ist, und das longitudinale Magnetfeld ist die am einfachsten zu erkennende Komponente eines Magnetfelds.

Das Bild zeigt die Überreste einer Sternexplosion (links) und neu geborene Sterne, die intensive Strahlung aussenden, die Gaswolken um sie herum zum Leuchten bringt (rechts), in der Großen Magellanschen Wolke. (Bildnachweis: ESO)

Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Struktur der Magnetfelder in massereichen Sternen so beschaffen ist, dass sie mit der Rotationsachse des Sterns ausgerichtet sind. Das bedeutet, dass die Stärke des longitudinalen Magnetfelds für einen Beobachter, der direkt auf den magnetischen Äquator des rotierenden Sterns blickt, „Null“ sein kann.

Die Erkennung eines Polarisationssignals hängt auch von der Anzahl der Merkmale wie den Absorptions- und Emissionslinien der Elemente im Spektrum des von einem Stern kommenden Lichts ab. Je mehr Spektralmerkmale bestimmt werden können, desto besser ist das Ergebnis der Spektropolarimetrie. Je länger ein Instrument einen Stern beobachten und sein polarimetrisches Spektrum aufzeichnen kann, desto besser sind auch die Ergebnisse der Technik.

Während frühere Versuche, stellare Magnetfelder außerhalb der Milchstraße zu messen, gescheitert sind, konnte das Team dank FORS2 Spektropolarimetrie für fünf massereiche Sterne in der LMC und SMC durchführen.

Die Untersuchung war bei zwei Einzelsternen erfolgreich, deren Spektren denen massereicher Sterne in der Milchstraße ähneln. Sie lieferte auch eine Messung der Magnetfelder eines wechselwirkenden Paares massereicher Sterne in einem Doppelsternsystem mit der Bezeichnung Cl NGC 346 SSN7, das sich in einer riesigen Sternentstehungsregion der SMC namens NGC346 befindet. Es wurde festgestellt, dass die Magnetfelder der Sterne so stark sind, wie sie normalerweise nur auf der Sonne in stark magnetisierten dunklen Regionen, den Sonnenflecken, zu sehen sind.

Das Team ist der Meinung, dass diese neuen Erkenntnisse darauf hindeuten, dass eine geringe Metallizität wenig Einfluss auf das Auftreten und die Stärke von Magnetfeldern in massereichen Sternen hat. Es könnte auch sein, dass Sternentstehung und -entwicklung in der Milchstraße, in der LMC und in der SMC auf ähnliche Weise ablaufen.

Die Forscher räumen ein, dass die Stichprobengröße der Sterne, die für diese Schlussfolgerungen verwendet wurden, sehr klein ist, was bedeutet, dass weitere Untersuchungen massereicher Sterne in der SMC und LMC erforderlich sind, um die Schlussfolgerungen der Studie zu bestätigen.

Die Studie wurde am 27. Mai in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.