Was treibt die Explosion von Sternen an?

Neues über den Zusammenhang zwischen Hypernova, Supernova und Gamma-Blitzen bringt.

30. November 2015

Enorme Energiemengen werden freigesetzt, wenn ein massiver Stern, um ein Vielfaches so schwer wie unsere Sonne, in sich zusammenstürzt. Einige Sterne explodieren dann in einer Hypernova – zehnmal so stark wie eine normale Supernova – oder in einem hochenergetischen Gamma-Blitz. 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 aufwändige dreidimensionale Computersimulation, die erstmals Licht in den Zusammenhang zwischen Hypernova, Supernova und Gamma-Blitzen bringt.

Falschfarbenbild, das zu Beginn der Simulation zeigt in welchen Bereichen das Magnetfeld verstärkt wird. Es wird ein Schnitt durch den Äquator gezeigt. 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.

Die Forschungsarbeit wurde von Dr. Philipp Mösta (Caltech, jetzt an der University of California in Berkely) und Prof. Christian Ott (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 nun in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Computersimulationen nachvollzogen werden.

Schnelle Software für riesige Datenmengen

Dr. Roland Haas, Wissenschaftler in der Abteilung „Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie“ am AEI 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. 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.

Ordnung aus dem Chaos

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 Autoren der Studie 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 Gamma-Blitze auslösen.

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