Wissenschaftler entschlüsseln die Geheimnisse von Magnetaren, den magnetischsten Objekten im Universum

Jul 02, 2023

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Magnetare gehören zu den bizarrsten und mysteriösesten Objekten im Universum und verfügen über eine Billionen Mal größere magnetische Anziehungskraft als die Erde oder jeder andere von Menschen entwickelte Magnet.

Wissenschaftler sind sich immer noch nicht sicher, wie genau diese Objekte entstehen. Doch ein einzigartiger heliumreicher Stern, der 3.000 Lichtjahre entfernt liegt, könnte laut einer am 17. August in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Studie einige Antworten geben.

Forscher sagen, dass das verblüffende Verhalten des Sterns nicht mit herkömmlichen Modellen erklärt werden kann. Aber es könnte durch Magnetfelder erklärt werden – Felder, die sich tatsächlich als so stark erwiesen, dass man davon ausging, dass es sich um den magnetischsten und massereichsten Stern handelte, der jemals aufgezeichnet wurde. Daraus entstand sogar eine neue Definition: ein „massiver magnetischer Heliumstern“.

Nun vermuten Wissenschaftler, dass der Stern eines Tages in einer Supernova-Explosion kollabieren wird. Und das Ergebnis dieser Explosion könnte die Geburt eines Magnetars sein – eines toten Sterns, dessen magnetische Anziehungskraft milliardenfach stärker sein wird als der aktuelle Stern, heißt es in der Studie.

Das liefert zumindest eine Antwort auf die Frage, wie Magnetare entstehen. Möglicherweise gebe es auch andere Methoden, merken die Studienautoren an. Aber es ist ein gewaltiger Fortschritt bei der Entschlüsselung der Geheimnisse der Magnetare, die Wissenschaftler jahrzehntelang verwirrt haben.

Der massereiche magnetische Heliumstern im Herzen der Studie ist Teil eines Zwei-Sterne-Systems namens HD 45166. Und der dominierende – oder primäre – Stern innerhalb des Systems ist für Tomer Shenar, den Hauptautor der Studie und einen, zu einer Obsession geworden Astronom an der Universität Amsterdam in den Niederlanden.

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„Wir haben sie nie wirklich beobachtet, weil sie sehr schwer zu entdecken sind – mit Ausnahme dieses Objekts“, sagte Shenar über den Sterntyp HD 45166.

Er bezeichnet den Stern als sein „Haustier“, während seine Kollegin und Studienkoautorin Julia Bodensteiner ihn scherzhaft einen „Zombiestern“ nennt – weil „er Tomer in einen Zombie verwandelt“.

Der Stern sieht aus wie ein Wolf-Rayet-Stern, eine Phase, die sehr massereiche Sterne durchlaufen, bevor sie in Neutronensterne oder Schwarze Löcher kollabieren. Aber der Stern hatte weitaus weniger Masse als ein typischer Wolf-Rayet.

„Es ist im Grunde ein Objekt, das unseren Modellen und Theorien widerspricht“, sagte Shenar gegenüber CNN.

Shenar kam jedoch auf die Idee, dass Magnetfelder die Ursache sein könnten, was erklärt, warum der Stern wie ein Wolf-Rayet aussieht, aber weitaus weniger Masse enthält.

Zuerst glaubte es nicht einmal Shenar. Und er sagte, es sei keine leichte Aufgabe, seine Forscherkollegen zu überzeugen. Doch die Beweise waren so überzeugend, dass Shenar und seine Kollegen Zugang zu äußerst konkurrenzfähigen astronomischen Instrumenten erhielten, darunter das Canada-France-Hawaii Telescope, das sich auf Hawaii befindet und Magnetfelder erkennen und messen kann.

Die Ergebnisse waren erstaunlich.

Es wurde festgestellt, dass der Stern ein Magnetfeld von 43.000 Gauss enthält. Zum Vergleich: Die Erde verfügt über ein Magnetfeld von etwa 0,5 Gauss, das die Funktion von Kompassen und die Navigation von Vögeln ermöglicht.

Forscher vermuten, dass das Magnetfeld dieses Sterns von der Verschmelzung mit einem anderen Stern herrührt. Im Wesentlichen, heißt es in der Studie, bestand das Zwei-Sterne-System früher aus drei Sternen, und ein Stern verschluckte einen seiner Begleiter und bildete einen stark magnetischen Kern.

Die Forscher vermuten, dass der massereiche magnetische Heliumstern in etwa einer Million Jahren kollabieren und explodieren und zu einer Supernova werden wird.

Durch diese Explosion entsteht dann ein Neutronenstern, der entsteht, wenn die Protonen und Elektronen im Zentrum eines Sterns kollabieren und Neutronen bilden – im Wesentlichen die toten Überreste eines einst massereichen, hell brennenden Sterns.

Wissenschaftler wussten bereits, dass etwa 10 % der Neutronensterne auch Magnetare sind. Aber sie hatten vorher nicht gewusst, was hinter ihrer Entstehung steckte.

Und die Antwort ist dieses perfekte kosmische Gebräu: Ein Stern, der durch die Verschmelzung mit einem anderen Stern einen extrem magnetischen Kern bildet, kann später zu einem Neutronenstern mit allen Eigenschaften eines Magnetars kollabieren.

„Zumindest ist das eine Antwort“, bemerkte Shenar.

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„Die Frage ist im Moment, ob dies ein dominanter Formationskanal ist oder nur eine andere Art der Formierung, aber vielleicht nicht die gebräuchlichste“, sagte er. „Aber sicher – es ist ein neuer Weg.“

Dr. Harsha Blumer, ein Forschungswissenschaftler an der West Virginia University, der nicht an der Studie beteiligt war, sich aber intensiv mit Magnetaren beschäftigt hat, bezeichnete diese Studie als „unbestreitbar fesselnd“. Sie fügte hinzu, dass dies mit einigen ihrer eigenen Forschungen übereinstimmt, die darauf hindeuten, dass Wolf-Rayet-Sterne die Vorfahren von Magnetaren sein könnten.

Sie erkannte eine weitere Theorie zur Magnetarbildung an. Es heißt „Magnetarmodell“ und geht davon aus, dass „starke Hitze und Rotation Konvektionsbewegungen im Kern des Neutronensterns antreiben können, die wiederum durch Dynamowirkung starke Magnetfelder erzeugen können.“ Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Erde auf die gleiche Weise ihr Magnetfeld erhielt.

Sie fügte jedoch hinzu: „Es ist wichtig zu beachten, dass sich keine dieser Theorien gegenseitig ausschließt.“

Natürlich können die Forscher die Entstehung dieses vermuteten Magnetars nicht wirklich beobachten, da der massereiche magnetische Heliumstern noch etwa eine Million Jahre vom Kollaps entfernt ist.

Aktuelle Astronomie-Tools ermöglichen es Astronomen, jede Nacht Hunderte oder sogar Tausende von Supernovae zu beobachten, sagte Shenar. Aber diese Explosionen ereignen sich so weit entfernt – viele Millionen oder sogar Milliarden Lichtjahre entfernt –, dass es zu schwierig ist, genau zu bestimmen, was diese Supernovae hinterlassen.

Ideal wäre es, sagte Shenar, die Beobachtung einer Magnetarbildung in unserer eigenen Galaxie. Aber im Durchschnitt gibt es nur etwa alle 100 Jahre eine Supernova in der Nähe unseres Zuhauses. Und selbst dann beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass das Ergebnis ein Neutronenstern ist, der gleichzeitig ein Magnetar ist, nur 10 %.

„Wenn Sie also 1.000 Jahre leben würden, würden Sie wahrscheinlich eines zu sehen bekommen“, scherzte Shenar.

Dennoch können die Forscher ziemlich sicher sein, dass sie den Code für diese Art von Magnetarbildung geknackt haben.

Und obwohl es sich um ein „ziemlich ausgefallenes und spektakuläres Szenario“ handele, sei es in unserem riesigen Universum wahrscheinlich keine Seltenheit, sagte Shenar.

Blumer fügte hinzu, dass es noch viel spannende Arbeit an Magnetaren zu leisten gebe und jeder Fortschritt dazu beitrage, ein ganzheitlicheres Bild des Kosmos zu zeichnen.

„Die Untersuchung von Magnetaren kann Einblicke in das Verhalten von Materie unter extremen Magnetfeldern liefern und uns helfen, die grundlegenden Eigenschaften von Neutronensternen, ihre Entwicklung und sogar potenzielle Gravitationswellenquellen besser zu verstehen“, sagte sie.

Ihrer Ansicht nach, fügte sie hinzu, seien Magnetare „kosmische Rätsel, die darauf warten, gelöst zu werden“.