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Eine Illustration eines hochmagnetischen Neutronensterns oder „Magnetars“ (Bildnachweis: ESA)

Astronomen glauben, dass sie einen seltenen, massiven Ausbruch gefunden haben, der von einem extrem magnetischen toten Stern oder Magnetar ausging und hell genug war, um eine ganze Galaxie zu erleuchten. Wenn dies zutrifft, wäre dies das erste Mal, dass Gammastrahlen von einem „kürzlich verstorbenen“ Neutronenstern außerhalb der Milchstraße gesehen wurden.

Die Eruption wurde zuerst vom wissenschaftlichen Datenzentrum Integral in Genf in Form eines kurzen Ausbruchs hochenergetischer Gammastrahlen von nur einer Zehntelsekunde Dauer entdeckt. Integral alarmierte die Astronomen, die nur 13 Sekunden nach der Eruption feststellten, dass diese Gammastrahlen von der hellen Galaxie Messier 82 (M82) zu kommen schienen, die aufgrund ihrer länglichen Form den Spitznamen „Zigarrengalaxie“ trägt und etwa 12 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist.

All dies stellte die Astronomen jedoch vor ein Rätsel, das es zu lösen galt. Handelte es sich um einen relativ häufigen Gammastrahlenausbruch, den sie in dieser Galaxie sahen, in der auch intensive Sternentstehung stattfindet, oder handelte es sich definitiv um das seltene Aufflackern eines hochmagnetischen Magnetars?

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„Uns war sofort klar, dass dies ein besonderer Alarm war“, sagte Sandro Mereghetti, Forschungsleiter und Wissenschaftler am Nationalen Institut für Astrophysik (INAF-IASF), in einer Erklärung. “Gammastrahlenausbrüche kommen von weit her und überall am Himmel, aber dieser Ausbruch kam von einer hellen, nahen Galaxie.“

Um den Gammastrahlenausbruch zu untersuchen, führten Mereghetti und seine Kollegen mit dem XMM-Newton-Weltraumteleskop rasch Folgebeobachtungen der Quelle der Explosion durch. Sie kamen zu dem Schluss, dass, wenn es sich bei dieser Gammastrahlenexplosion um einen kurzen Gammastrahlenausbruch handelte, der durch ein gewaltiges Ereignis wie die Verschmelzung zweier Neutronensterne ausgelöst wurde, auch ein Nachleuchten im Röntgenlicht und im sichtbaren Licht zu beobachten sein müsste. Dieses Ereignis hätte auch die Raumzeit in Schwingungen versetzt, die als „Gravitationswellen“ bezeichnet werden.

„Die Beobachtungen von XMM-Newton zeigten nur das heiße Gas und die Sterne in der Galaxie“, sagte Michela Rigoselli, Mitglied des Teams und Forscherin am INAF. „Wenn es sich bei dieser Explosion um einen kurzen Gammastrahlenausbruch gehandelt hätte, hätten wir eine schwächer werdende Quelle von Röntgenstrahlen gesehen, die von ihrem Standort ausging, aber dieses Nachglühen war nicht vorhanden.“

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Integrals Rolle, die es den Forschern ermöglichte, diesen Gammastrahlenblitz schnell zu untersuchen, war – Entschuldigung im Voraus – ein wesentlicher Faktor bei der Bestimmung seines wahren Ursprungs und der Rückverfolgung zu einem Magnetarausbruch in M82.

„Wenn unerwartete Beobachtungen wie diese aufgegriffen werden, können Integral und XMM-Newton in ihren Zeitplänen flexibel sein, was bei zeitkritischen Entdeckungen von entscheidender Bedeutung ist“, erklärte der Integral-Projektwissenschaftler Jan-Uwe Ness in der Erklärung. „Wären die Beobachtungen in diesem Fall auch nur einen Tag später durchgeführt worden, hätten wir keinen so starken Beweis dafür, dass es sich tatsächlich um einen Magnetar und nicht um einen Gammastrahlenausbruch handelt.“

Integral-Karte von M82 zeigt kein Nachleuchten nach einem Gammastrahlenausbruch, was darauf hindeutet, dass er von einem nahe gelegenen Magnetar stammt. (Bildnachweis: ESA/Integral, ESA/XMM-Newton, INAF/TNG, M. Rigoselli (INAF))

Ein verstorbener und aufflackernder Magnetar

Magnetare sind eine Art von Neutronensternen, die sich durch ihre unglaublich starken Magnetfelder auszeichnen. Wie alle Neutronensterne entstehen Magnetare, wenn ein Stern mit mindestens achtmal mehr Masse als die Sonne den für die Kernfusion benötigten Brennstoff in seinem Kern verbraucht. Damit endet die äußere Kraft, die mit dem Strahlungsdruck verbunden ist, der diese Sterne Millionen oder manchmal Milliarden Jahre lang davor bewahrt hat, unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft zu kollabieren.

Nach dem Ende dieses Schutzes kollabiert der Kern des sterbenden Sterns, während die äußeren Schichten, die den Großteil der Masse des Sterns ausmachen, in einer Supernovaexplosion weggesprengt werden. Das Ergebnis ist ein toter Sternkern mit einer Masse, die ein- bis zweimal so groß ist wie die der Sonne, zusammengepfercht auf einer Breite von höchstens 20 Kilometern (12 Meilen).

Eine künstlerische Darstellung eines ausbrechenden Magnetars (Bildnachweis: Carl Knox, OzGrav/Swinburne University of Technology)

Dieser schnelle Kollaps führt dazu, dass Neutronensterne aus der dichtesten bekannten Materie im Universum bestehen, von der ein einziger Esslöffel 1 Milliarde Tonnen wiegen würde, wenn man ihn auf die Erde bringen würde. Es gibt noch zwei weitere extreme Folgen dieses Kollapses.

Wie ein Schlittschuhläufer auf der Erde die Erhaltung des Drehimpulses ausnutzt, indem er seine Arme einzieht, um die Geschwindigkeit seiner Drehung zu erhöhen, so bewirkt die rasche radiale Verkleinerung eines sterbenden Sternkerns, dass sich ein neugeborener Neutronenstern mit unglaublicher Geschwindigkeit dreht. Man hat festgestellt, dass sich einige junge Neutronensterne bis zu 700 Mal pro Sekunde drehen.

Außerdem bewirkt der Kollaps, dass sich die Feldlinien des Magnetfelds des Sternkerns enger zusammenschieben. Je dichter die Feldlinien beieinander liegen, desto stärker ist das Magnetfeld. Das bedeutet, dass einige Neutronensterne die stärksten Magnetfelder im gesamten Kosmos haben. Sowohl die Rotationsgeschwindigkeit als auch der starke Magnetismus von Neutronensternen nehmen ab, wenn diese stellaren Überreste altern.

„Einige junge Neutronensterne haben besonders starke Magnetfelder, die mehr als 10.000 Mal so stark sind wie die von typischen Neutronensternen. Diese werden Magnetare genannt. Sie strahlen ihre Energie in Form von Flares ab, und diese Flares sind mitunter gigantisch“, so Ashley Chrimes, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Europäischen Weltraumorganisation.

Ein Bild der Zigarrengalaxie M82, gesehen vom Hubble-Weltraumteleskop. (Bildnachweis: NASA, ESA und das Hubble Heritage Team (STScI/AURA))

Man nimmt an, dass sie durch „Sternenbeben“ auf der Oberfläche dieser hochmagnetischen jungen Neutronensterne verursacht werden, die deren intensive Magnetfelder stören. Magnetar-Flares sind sowohl gigantisch als auch verschwindend selten.

In den 50 Jahren, in denen die Menschheit den Kosmos mit Gammastrahlen beobachtet, wurden bisher nur drei Flares beobachtet. Diese wurden 1979, 1998 und 2004 entdeckt, und sie stammten alle von Magnetaren in der Milchstraße.

Doch vielleicht ist es ein Glück, dass aufflackernde Magnetare selten sind. Das im Dezember 2004 beobachtete Beispiel, das von einem 30.000 Lichtjahre von der Erde entfernten Magnetar verursacht wurde, war so stark, dass es tatsächlich die obere Atmosphäre unseres Planeten beeinflusste. Die Wirkung war ähnlich wie bei Sonneneruptionen, aber die Sonne ist 1,9 Milliarden Mal näher an der Erde als der Magnetar, der für die Gammastrahlenfackel von 2004 verantwortlich war. Lassen Sie das auf sich wirken.

Die Entdeckung von Integral ist das erste Mal, dass ein Flare von einem Magnetar außerhalb der Milchstraße gesichtet wurde. Das Team geht jedoch davon aus, dass einige der anderen kurzen Gammastrahlenausbrüche, die von Integral beobachtet wurden, ebenfalls von extragalaktischen Magnetaren stammen.

„Ausbrüche von so kurzer Dauer können jedoch nur dann zufällig erfasst werden, wenn ein Observatorium bereits in die richtige Richtung ausgerichtet ist“, sagte Jan-Uwe. „Das macht Integral mit seinem großen Sichtfeld, das mehr als 3.000 Mal größer ist als die vom Mond bedeckte Himmelsfläche, so wichtig für diese Entdeckungen.“

Die Position des Magnetars in M82 ist von Bedeutung, weil diese helle Galaxie einen Ausbruch intensiver Sternentstehung beherbergt. Dies bestätigt, dass in solchen Starburst-Regionen massereiche Sterne „schnell leben und jung sterben“ und junge Neutronensterne als turbulente, schnell rotierende Magnetare hinterlassen.

Das Team wird nun nach weiteren Magnetaren in Starburst-Galaxien suchen, um das Leben und Sterben massereicher Sterne in diesen Regionen besser zu verstehen, und um besser zu verstehen, wie sich Neutronensterne im Laufe der Zeit entwickeln.

„Diese Entdeckung eröffnet uns die Suche nach weiteren extragalaktischen Magnetaren“, so Chrimes. „Wenn wir viele weitere finden, können wir verstehen, wie oft diese Flares auftreten und wie diese Sterne dabei Energie verlieren.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Mittwoch (24. April) in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.