Eine Illustration zeigt einen von grünen Magnetfeldlinien umgebenen Neutronenstern in der feurigen Hülle der Supernova-Trümmer seiner Geburt (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Draußen im Universum liegen tote Sternüberreste, so genannte Neutronensterne, und diese Sterne gewinnen enorm starke Magnetfelder, wenn Materie, die während ihres explosiven Supernova-Todes ausgestoßen wurde, auf sie zurückfällt. Wissenschaftler sagen, dass die Entdeckung dieses dynamoähnlichen Mechanismus das Rätsel der so genannten „Niederfeld-Magnetare“ lösen könnte.
Magnetare sind Neutronensterne mit den stärksten Magnetfeldern des Universums, die oft Hunderte von Billionen Mal stärker sind als die Magnetosphäre der Erde.
Niedrigfeld-Magnetare, die erstmals 2010 entdeckt wurden, sind ähnliche Sternüberreste, deren Magnetfelder etwa 10 bis 100 Mal schwächer sind als die der „klassischen“ Magnetare. Ihr Ursprung war bisher ein Rätsel – bis jetzt.
Das Team, das hinter der neuen Forschungsarbeit steht, führte fortschrittliche numerische Simulationen durch, um die magnetische und thermische Entwicklung von Neutronensternen zu modellieren, und entdeckte dabei einen dynamoähnlichen Prozess, der es einem Neutronenstern ermöglichen könnte, an seiner Oberfläche ein schwächeres Magnetfeld zu entwickeln als bei typischen Magnetaren. Bei diesem Prozess fällt das von der Supernova ausgestoßene Material während der „Proto-Neutronenstern“-Phase der Entwicklung dieser Sternüberreste nach innen. Dieser Mechanismus wurde bereits vor fast einem Vierteljahrhundert theoretisch vorgeschlagen, aber erst vor kurzem mit Hilfe von Computersimulationen reproduziert“, so Andrei Igoshev, Leiter des Forschungsteams und Wissenschaftler an der School of Mathematics, Statistics and Physics der Universität Newcastle, in einer Erklärung.
Die Geburt von „toten Sternen“ ist kompliziert
Neutronensterne entstehen, wenn Sterne mit mehr als der 10-fachen Sonnenmasse den Brennstoffvorrat für die Kernfusion in ihren Kernen verbrauchen.
Das führt dazu, dass der Sternkern, der mehr als das 1,4-fache der Sonnenmasse hat (die so genannte Chandrasekhar-Grenze), unter seiner eigenen Schwerkraft kollabiert, was Schockwellen nach außen in die oberen Schichten des Sterns schickt und eine gewaltige Sternexplosion auslöst, die diese Schichten und den größten Teil der Masse des sterbenden Sterns wegsprengt. Diese Explosion wird als Kernkollaps-Supernova bezeichnet.
Künstlerische Darstellung eines Neutronensterns, der mit dem dichtesten Material des bekannten Universums gefüllt ist. (Bildnachweis: Universität von Alicante)
Der Kern, ein Proto-Neutronenstern, ist dabei, sich in einen 20 Kilometer breiten stellaren Überrest zu verwandeln, der so dicht ist, dass ein Teelöffel seiner Bestandteile auf der Erde etwa 10 Millionen Tonnen wiegen würde. Wie ein Schlittschuhläufer, der seine Arme einzieht, um seine Drehgeschwindigkeit zu erhöhen, kann der Kollaps von Neutronensternen diese Objekte so stark „aufdrehen“, dass sich einige von ihnen bis zu 700 Mal pro Sekunde drehen können.Darüber hinaus werden durch den Kernkollaps die Magnetfeldlinien zusammengedrückt, wodurch sich die Magnetfelder der toten Sterne verstärken.Das Ergebnis ist ein extrem dichter, schnell drehender, hochmagnetischer stellarer Überrest, der von einer Schale aus abgeworfenem Material umgeben ist.Dieses Material kann jedoch schließlich an seinen Ursprungsort zurückkehren, wodurch der Neutronenstern noch extremer und ungewöhnlicher wird.
Eine Illustration zeigt die Gammastrahlen, die aus einer Supernova mit Kernkollaps herausschießen, während ein Neutronenstern entsteht. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt von Canva))
„Neutronensterne werden in Supernova-Explosionen geboren“, sagte Igoshev. „Die meisten äußeren Schichten eines massereichen Sterns werden während der Supernova entfernt, aber ein Teil des Materials fällt zurück, wodurch der Neutronenstern schneller rotiert.“
Igoshev erklärte, dass frühere Forschungen gezeigt haben, dass dieser Prozess eine sehr wichtige Rolle bei der Bildung eines Magnetfeldes über den Tayler-Spruit-Dynamomechanismus spielt.
Es wird angenommen, dass der Tayler-Spruit-Dynamomechanismus den Drehimpuls des einfallenden Plasmas in Magnetfelder innerhalb des Neutronensterns umwandelt. Dies ist vergleichbar mit der Art und Weise, wie mechanische Dynamos auf der Erde kinetische Energie in elektrische Energie umwandeln. „Das Magnetfeld, das durch diesen Mechanismus gebildet wird, ist sehr kompliziert und hat ein internes Feld im Inneren des Sterns, das viel stärker ist als das äußere Feld“, sagte Igoshev.
Igoshev beabsichtigt nun, eine neue Forschungsgruppe an der Universität Newcastle zu gründen, um die starken, komplizierten und geheimnisvollen Magnetfelder von Neutronensternen weiter zu untersuchen.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 4. Februar in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.
