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NEUTRONENSTERNE
Wie extreme Magnetfelder entstehen
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik
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6. August 2013

Astronomen ist es erstmals gelungen, mithilfe numerischer Simulationen eine Instabilität im Inneren von Neutronensternen nachzuweisen, die zu extrem starken Magnetfeldern führen kann. Diese Magnetfelder könnten bei der Entstehung von sogenannten Gammastrahlenblitzen eine Rolle spielen, die zu den gewaltigsten Explosionen im All zählen

Simulation
 
Eine Instabilität im Innern eines hypermassiven Neutronensterns kann enorme Magnetfeldstärken hervorrufen, bevor der Stern zu einem Schwarzen Loch kollabiert. Bild: Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik / D. Siegel [Großansicht]

Wenn zwei Neutronensterne in einem Doppelsternsystem miteinander verschmelzen, entsteht zunächst ein ultradichter oder "hypermassiver" Neutronenstern. Sein kurzes Leben endet mit einem dramatischen Kollaps zu einem Schwarzen Loch. Dabei wird möglicherweise ein kurzer Gammablitz erzeugt, eine der gewaltigsten Explosionen, die wir im All beobachten können. Solche kurzen Gammastrahlenblitze, wie sie von Satelliten wie XMM Newton, Fermi oder Swift beobachtet werden, strahlen in einer Sekunde so viel Energie ab wie unsere gesamte Galaxie in einem Jahr.

Seit langem vermutet man, dass enorm starke Magnetfelder in der Umgebung des sich bildenden Schwarzen Lochs eine Schlüsselrolle für die Erklärung solcher Gammastrahlen-Blitze spielen. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI) konnten jetzt erstmals einen Mechanismus nachweisen, der solche enormen Magnetfeldstärken hervorbringen kann bevor sich das Schwarze Loch bildet.

Lange Zeit hatten Astronomen gerätselt, wie derart riesige Magnetfelder, die die Stärke des Erdmagnetfeldes um das zehn bis hundert Billiardenfache übertreffen, aus den ursprünglich deutlich kleineren Magnetfeldern der Neutronensterne entstehen können. Ursache dafür ist offenbar ein Phänomen, das bei einem unterschiedlich schnell rotierenden Plasma in Gegenwart magnetischer Felder auftreten kann: Benachbarte Plasmaschichten "reiben" aneinander und werden in Turbulenz versetzt. Durch diese sogenannte Magnetorotationsinstabilität können bereits vorhandene Magnetfelder enorm verstärkt werden.

Aus anderen astrophysikalischen Systemen – wie etwa Akkretionsscheiben und Kernkollaps-Supernovae – ist dieser Mechanismus wohl bekannt. Bereits seit längerer Zeit wird darüber spekuliert, dass magnetohydrodynamische Instabilitäten, die im Innern des hypermassiven Neutronensterns entstehen, für die nötige Verstärkung der Magnetfelder sorgen, der tatsächliche Nachweis gelang jedoch erst mit den jetzt veröffentlichten numerischen Simulationen.

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Die Wissenschaftler aus der Gruppe "Gravitationswellenmodellierung" am AEI simulierten dabei einen hypermassiven Neutronenstern mit einem anfangs geordneten Magnetfeld, dessen Struktur durch die Rotation des Sterns nach und nach immer komplexer wird. Da der Stern dynamisch instabil ist, kollabiert er schließlich zu einem Schwarzen Loch, das zunächst von einer Materiewolke umgeben ist, bis diese ins Schwarze Loch hineingesogen wird.

Die Simulationen zeigen eindeutig einen exponentiell schnellen Verstärkungsmechanismus im Innern des Sterns - die Magnetorotationsinstabilität. Unter den extremen Bedingungen ultrastarker Gravitation, wie sie im Innern eines hypermassiven Neutronensterns zu finden sind, war es bislang nicht gelungen diesen Mechanismus zweifelsfrei nachzuweisen. Das hängt damit zusammen, dass die Simulation der physikalischen Gegebenheiten im Innern dieser Sterne extrem anspruchsvoll ist.

Die Entdeckung ist aus mindestens zwei Gründen interessant: zum einen konnte zum ersten Mal eindeutig die Entwicklung der Magnetorotationsinstabilität im Geltungsbereich von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie gezeigt werden. Bislang gibt es keine analytische Theorie, die darüber Vorhersagen macht. Zum anderen kann dieses Ergebnis wichtige Auswirkungen auf die Astrophysik haben, denn dadurch wird die These gestützt, dass ultrastarke Magnetfelder eine Schlüsselrolle spielen, wenn man verstehen will, woher die Riesenmengen Energie bei kurzen Gammastrahlblitzen kommen.

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siehe auch
Gamma-ray Bursts: Stammt unser Gold von kollidierenden Sternen? - 31. Juli 2013
Gamma-ray Bursts: Kollidierende Neutronensterne im Computer - 11. April 2011
Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik
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