Einfach unwiderstehlich: die Entstehung eines Magnetsterns

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.

Die Entstehung eines Magnetsterns: 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 Feldlinie dar (Bilder: Ohlmann / Schneider / Röpke).

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

“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 auf den Computerclustern des Heidelberger Instituts für Theoretische Studien (HITS). Die Wissenschaftler konnten damit zeigen, 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 von der Forschungsgruppe „Physics of Stellar Objects“ am 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.”

Wissenschaftlicher Kontakt

Dr. Fabian Schneider
Zentrum für Astronomie, Astronomisches Rechen-Institut, Universität Heidelberg
Tel.: +49 (0)6221 54-1881 or +49 (0)6221 533-388
Email: fabian.schneider@uni-heidelberg.de

Dr. Sebastian Ohlmann
Max Planck Computing and Data Facility
Tel.: +49 (0)89 3299-1144
Email: sebastian.ohlmann@mpcdf.mpg.de

Prof. Dr. Friedrich Röpke
Physics of Stellar Objects group
Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS)
Tel.: +49 6221 533 270
Email: friedrich.roepke@h-its.org

Medienkontakt

Dr. Peter Saueressig
Head of Communications
Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS)
Tel.: +49 6221 533 245
peter.saueressig@h-its.org

Anhang

[1] AREPO ist ein Computerprogramm, das auf einem hochparallelen bewegten Gitter basiert. Diese Technik erlaubt es Wissenschaftlern, die Vorteile herkömmlicher Methoden, wie zum Beispiel die von Euler und Lagrange, zu kombinieren und spielt in dieser Studie eine wichtige Rolle. Der Code wurde von Volker Springel und Rüdiger Pakmor entwickelt und wird hauptsächlich bei Simulationen kosmologischer Strukturformationen und Galaxieentwicklungen eingesetzt. So basiert zum Beispiel das Illustris-Projekt, die bislang detaillierteste wissenschaftliche Computersimulation zur Entstehung unseres Kosmos, auf AREPO. Momentaufnahmen dieser Simulation waren auf Briefmarken einer Sonderedition der Deutschen Post abgebildet. Für die vorliegende Studie wurde AREPO an stellare astrophysikalische Anwendungen angepasst. Mehr Informationen.

[2] Der Stern Tau Scorpii (τ Sco) besitzt an der Oberfläche ein durchschnittliches Magnetfeld von ungefähr 0,05 Tesla und eine Masse, die 17 Mal größer ist als die der Sonne. Mit einem scheinbaren Alter von <5 Millionen Jahren handelt es sich bei ihm um einen Blauen Nachzügler in der 11 Millionen Jahre alten Upper Scorpius Sternassoziation. Sein Magnetfeld an der Oberfläche ist 500–1000 Mal stärker als das der Erde, aber nur zweimal so stark wie das eines leistungsstarken Kühlschrankmagneten. Im Inneren des Sterns ist das Magnetfeld vermutlich jedoch viel stärker. τ Sco ist mit bloßem Auge im Sternbild Skorpion zu erkennen und ungefähr 500 Lichtjahre von der Erde entfernt.

[3] Neutronensterne gehören zu den exotischsten Objekten im Universum. Es handelt sich dabei um die kompakten Überbleibsel von massereichen Sternen in Supernova- Explosionen. Mit einer Masse, die 1–2 Mal größer ist als die der Sonne, und einem Radius von lediglich 10–15 km sind sie so dicht, dass ein Teelöffel Neutronensternmaterie auf der Erde ungefähr 1000 Millionen Tonne wiegen würde. Vermutlich werden 15% aller Neutronensterne mit einem extrem starken Magnetfeld als Magnetare geboren.

Weitere Informationen

Diese Pressemitteilung fasst die wichtigsten Ergebnisse des Artikels “Stellar mergers as the origin of magnetic massive stars” zusammen, der am 9. Oktober 2019 in der Fachzeitschrift Nature erschienen ist.

DOI: 10.1038/s41586-019-1621-5 https://www.nature.com/articles/s41586-019-1621-5.

Das Team von Wissenschaftlern besteht aus Fabian Schneider (Zentrum für Astronomie, Universität Heidelberg und Heidelberger Institut für Theoretische Studien, Department of Physics, Universität Oxford), Sebastian Ohlmann (Max Planck Computing and Data Facility, Garching), Philipp Podsiadlowski (Department of Physics, Universität Oxford), Friedrich Röpke (Heidelberger Institut für Theoretische Studien; Zentrum für Astronomie, Universität Heidelberg),  Steven Balbus (Department of Physics, Universität Oxford), Rüdiger Pakmor (Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching) und Volker Springel (Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching).

Links, ähnliche Themen und weitere Quellen

•          Online-Version des Artikels: https://www.nature.com/articles/s41586-019-1621-5.

•          Video auf Youtube: https://youtu.be/OvjM5_OXDeI

•          Magnetfeldtopologie von τ Sco: http://www.cfht.hawaii.edu/News/TauSco/tausco_eng.html

•          VFTS 352 – ein massereicher, sich berührender Doppelstern, der auf eine Katastrophe zusteuert: https://www.eso.org/public/news/eso1540

•          Link zur „eta Car PR“ von Smith über den Ursprung von Doppelsternverschmelzungen:

https://hubblesite.org/contents/news-releases/2018/news-2018-33.html

•          Link zu V838 Mon: https://hubblesite.org/contents/news-releases/2003/news-2003-10.html

•          V1309 Sco – Zwei Sterne beim Verschmelzen beobachten: https://astrobites.org/2012/08/01/two-stars-merged-and-we-got-to-watch/        

Über das HITS

Das Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) wurde 2010 von dem Physiker und SAP-Mitgründer Klaus Tschira (1940-2015) und der Klaus Tschira Stiftung als private, gemeinnützige Forschungseinrichtung ins Leben gerufen. Das HITS betreibt Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften, der Mathematik und der Informatik. Dabei werden große, komplexe Datenmengen verarbeitet, strukturiert und analysiert und computergestützte Methoden und Software entwickelt. Die Forschungsfelder reichen von der Molekularbiologie bis zur Astrophysik. Die HITS Stiftung, eine Tochter der Klaus Tschira Stiftung, stellt die Grundfinanzierung der HITS gGmbH auf Dauer sicher. Die Mittel dafür erhält sie von der Klaus Tschira Stiftung. Gesellschafter des HITS sind neben der HITS Stiftung die Universität Heidelberg und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Das HITS arbeitet außerdem mit weiteren Universitäten und Forschungsinstituten sowie mit industriellen Partnern zusammen. Die wichtigsten externen Mittelgeber sind das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und die Europäische Union.

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