Die stärksten Magnetfelder im Universum

26. Juli 2013

Numerische Simulationen von Wissenschaftlern des AEI weisen erstmals eine Instabilität im Innern von Neutronensternen nach, die zu gigantischen Magnetfeldern führen kann. Diese Magnetfelder sind vermutlich für  gewaltige Explosionen im All verantwortlich.

Wenn zwei Neutronensterne in einem Doppelsternsystem miteinander verschmelzen, entsteht zunächst ein ultradichter („hypermassiver“) Neutronenstern. Sein kurzes Leben endet mit einem dramatischen Kollaps zu einem Schwarzen Loch. Dabei wird möglicherweise ein kurzer Gamma-Blitz erzeugt, eine der gewaltigsten Explosionen, die wir im All beobachten können. Kurze Gammastrahlen-Blitze, 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! Es wird seit langem vermutet, 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 solch enorme Magnetfeldstärken hervorbringen kann bevor sich das Schwarze Loch bildet.

Wie können derart riesige Magnetfelder, die die Stärke des Erdmagnetfeldes um das zehn bis hundert Billiardenfache übertreffen, aus den ursprünglich deutlich kleineren Magnetfeldern der Neutronensterne entstehen?

Eine Instabilität im Innern eines hypermassiven Neutronensterns kann enorme Magnetfeldstärken hervorrufen, bevor der Stern zu einem Schwarzen Loch kollabiert.

Ursache dafür ist ein Phänomen, das bei einem unterschiedlich schnell ("differentiell") 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.

Die Wissenschaftler aus der Gruppe „Gravitationswellenmodellierung“ am AEI simulierten dabei einen hypermassiven Neutronenstern mit einem anfangs geordneten („poloidalen“) 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 wir verstehen wollen woher die Riesenmengen Energie bei kurzen Gammastrahl-Blitzen kommen.

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