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SUPERNOVAE
Wie es zur Explosion von Sternen kommt
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik
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7. Dezember 2015

Was läuft genau ab, wenn massereiche Sterne am Ende ihres Lebens als Supernova oder gar als Hypernova explodieren und wie können diese Ereignisse manchmal für die Entstehung von intensiven Blitzen im Gammastrahlenbereich sorgen? Astronomen vermuten, dass starke Magnetfelder dabei eine wesentliche Rolle spielen. Neue Simulationen zeigen nun, wie diese entstehen.

Simulation

Falschfarbenbild, das zu Beginn der Simulation zeigt, in welchen Bereichen das Magnetfeld verstärkt wird. Dargestellt ist ein Schnitt durch den Äquator. Gelb und rot bezeichnen Bereiche, in denen das Magnetfeld nicht verstärkt wird, in blauen Bereichen wird das Magnetfeld verstärkt. In der Mitte ist der Proto-Neutronenstern erkennbar, in dessen Inneren das Magnetfeld nicht verstärkt wird. Bild: Philipp Mösta / Caltech / UCB [Großansicht]

Enorme Energiemengen werden freigesetzt, wenn ein massereicher Stern, um ein Vielfaches so massereich wie unsere Sonne, in sich zusammenstürzt. Einige Sterne explodieren dann in einer Hypernova – zehnmal so stark wie eine normale Supernova – oder erzeugen einen hochenergetischen Gammablitz, einen sogenannten Gamma-ray Burst.

Wie das dafür nötige extrem starke Magnetfeld entsteht, war bislang rätselhaft. Einem Forscherteam in den USA gelang jetzt in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam eine aufwendige dreidimensionale Computersimulation, die erstmals Licht in den Zusammenhang zwischen Hypernova, Supernova und Gammablitzen bringt.

Die Forschungsarbeit wurde von Dr. Philipp Mösta, damals am California Institute of Technology (Caltech), jetzt an der University of California in Berkeley und Prof. Christian Ott vom Caltech geleitet, dessen Team den Zusammensturz eines Sterns von sechs Sonnenmassen simulierte. Dabei entsteht zunächst im Innern ein nur wenige Kilometer großer Proto-Neutronenstern auf den weiter Sternenmaterie einstürzt.

Der kollabierende Stern dreht sich an der Oberfläche schneller als in seinem Innern, wodurch benachbarte Plasmaschichten aneinander reiben und in Turbulenz versetzt werden. Durch diese "Magnetorotationsinstabilität" wird das vorhandene Magnetfeld enorm verstärkt. Ein solcher Mechanismus wurde bereits vermutet, konnte jedoch erst durch die jetzt veröffentlichten Computersimulationen nachvollzogen werden.

Dr. Roland Haas, Wissenschaftler in der Abteilung "Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie" am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik hat den Computercode für die Simulation mitentwickelt und den Visualisierungscode optimiert: "Nicht nur die Energiemengen explodierender Sterne sind riesig, die Datenmengen, die man braucht, um den komplexen Vorgang zu beschreiben, sind es ebenfalls," erläutert Haas.

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Die Simulationsdaten werden dann durch eine Visualisierungssoftware in Bilder übersetzt um die Magnetfeldstruktur untersuchen und verstehen zu können. "Damit das Visualisierungsprogramm die Terabyte von Daten überhaupt bewältigen konnte, habe ich es um den Faktor 60 beschleunigt" sagt Haas.

Die Simulation zeigt, dass das Magnetfeld des Proto-Neutronensterns in Regionen von nur einem Kilometer Größe verstärkt wird. Anfangs sind die Magnetschleifen zufällig orientiert und nicht zueinander ausgerichtet. Den Forschern gelang es damit zum ersten Mal überhaupt, Vorgänge bei Sternexplosionen mit so hoher Auflösung zu simulieren.

Obwohl die gesamte Berechnung ein Gebiet von über hundert Kilometern umfasst, wird das nur ein Kilometer große Magnetfeld genau dargestellt. So wird der Verstärkungsmechanismus der Magnetorotationsinstabilität tatsächlich sichtbar. Anschließend beginnt ein sogenannter Dynamo-Prozess, der das Magnetfeld senkrecht zur Rotationsachse großflächig anordnet.

Dieses großräumige Magnetfeld schleudert das von allen Seiten hineinstürzende Sternenmaterial entlang der Rotationsachse nach außen. Auf diese Weise kann der kollabierte Sternenkern extrem energiereiche Explosionen, wie Hypernovae und Gammablitze auslösen.

Über die Resultate ihrer Simulationen berichteten die Wissenschaftler in der vergangenen Woche in der Zeitschrift Nature.

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siehe auch
Supernovae: Sternexplosion durch Schallwellen - 16. November 2005
Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut)
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