Instabil, aber enorm magnetisch

  • 29. July 2013

Verschmelzende Neutronensterne erzeugen extrem starke Magnetfelder, bevor sie zu Schwarzen Löchern kollabieren.

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 entsteht möglicherweise ein kurzer Gamma-Blitz, eine der gewaltigsten Explosionen, die wir im All beobachten können. Kurze Gammastrahlen-Blitze, wie Satelliten wie XMM Newton, Fermi oder Swift sie beobachten, strahlen in einer Sekunde so viel Energie ab wie unsere gesamte Galaxie in einem Jahr. Seit langem vermuten Forscher, 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.

Restmassen und Magnetfeldstärken eines hypermassiven Neutronensterns

Abb.: Restmassen und Magnetfeldstärken eines hypermassiven Neutronensterns, während er zu einem Schwarzen Loch kollabiert. Der Ereignishorizont ist als schwarze Fläche zu sehen. (Bild: D. Siegel et al.)

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? Ursache dafür ist ein Phänomen, das bei einem unterschiedlich schnell („differentiell“) rotierenden Plasma in Gegenwart magnetischer Felder auftreten kann: Benachbarte Plasmaschichten reiben aneinander und geraten in Turbulenz. Durch diese sogenannte Magnetorotationsinstabilität können sich bereits vorhandene Magnetfelder enorm verstärken. Aus anderen astrophysikalischen Systemen – wie etwa Akkretionsscheiben und Kernkollaps-Supernovae – ist dieser Mechanismus wohl bekannt. Bereits seit längerer Zeit spekulieren Forscher darüber, dass magnetohydrodynamische Instabilitäten, die im Innern des hypermassiven Neutronensterns entstehen, für die nötige Verstärkung der Magnetfelder sorgen. Der Nachweis gelang jedoch erst mit den jetzt veröffentlichten numerischen Simulationen.

Die Wissenschaftler 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 zeigten einen exponentiell schnellen Verstärkungsmechanismus im Innern des Sterns – die Magnetorotationsinstabilität. Unter der ultrastarken Gravitation im Innern eines hypermassiven Neutronensterns war es bislang nicht gelungen, diesen Mechanismus zweifelsfrei nachzuweisen. Die Simulation der physikalischen Gegebenheiten im Innern dieser Sterne ist extrem anspruchsvoll.

Die Entdeckung ist aus zwei Gründen interessant: Zum einen konnten die Forscher zum ersten Mal eindeutig die Entwicklung der Magnetorotationsinstabilität im Geltungsbereich von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie zeigen. Bislang gibt es keine analytische Theorie, die darüber Vorhersagen macht. Zum anderen hat dieses Ergebnis Auswirkungen auf die Astrophysik. Denn die Simulationen stützen die These, dass ultrastarke Magnetfelder eine Schlüsselrolle dabei spielen, wie die großen Energiemengen bei kurzen Gammastrahl-Blitzen zustande kommen.

AEI / DE

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