Supermagnete im All

Mit Hilfe numerischer Simulationen haben Astrophysiker das Rätsel um magnetische Sterne im Universum gelöst.

Wie erklärt man die enormen Feldstärken von magnetischen Sternen? Diese seit 50 Jahren unbeantwortete Frage über die Entstehung kosmischer Magnetfelder haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Garching jetzt beantwortet. Mit Hilfe dreidimensionaler numerischer Simulationen ist es ihnen gelungen, eine Magnetfeldkonfiguration zu identifizieren, die die starken Magnetfelder auf der Oberfläche von so genannten A-Sternen und Weißen Zwergen zusammenhalten und über das gesamte Lebensalter eines Sterns aufrecht erhalten kann. Damit wird die "fossile Feldtheorie" bestätigt, wonach es sich bei diesen Magnetfeldern um Überbleibsel aus jenen Gaswolken handelt, aus denen sich Sterne bilden.

Abb.: Das Magnetfeld in einem magnetischen Stern, berechnet mit einer dreidimensionalen numerischen Simulation (links oben, Stereo-Paar). Es besteht aus einem Reifen verdrillter Feldlinien (blau dargestellt). Die durch die Oberfläche reichenden Feldlinien (rot) werden vom Reifen stabil zusammengehalten. Zur Verdeutlichung ist dies in schematischer Form im Bild rechts unten und im Schnitt durch den Stern (rechts oben) gezeigt. Diese Konfiguration wandert langsam auswärts unter Einfluss der endlichen Leitfähigkeit des Sterns, verformt sich dann wie die Naht auf einem Tennisball (links unten) und verschwindet danach. (Quelle: MPI für Astrophysik)

Diese Entdeckung ist von Bedeutung für drei Gruppen von Sternen, in denen man ein starkes Magnetfeld beobachten kann. Die bekanntesten sind die so genannten "magnetischen Ap-Sterne", ziemlich normale Sterne, die zwei bis zehn Mal schwerer sind als unsere Sonne und die ein Magnetfeld haben wie ein Stabmagnet. Ein Beispiel ist Alioth (Epsilon Ursae Majoris, der fünfte Stern im großen Bären). Daneben gibt es unter den so genannten Weißen Zwergen auch magnetische Exemplare mit 100.000-mal höheren Feldstärken, und schließlich kennt man die "Magnetare", Neutronensterne mit 100-Milliarden-mal stärkeren Feldern als handelsübliche Stabmagnete. Das Feld in all diesen Sternen ist großskalig und statisch, im Gegensatz zur Sonne und ihr verwandten Sternen, deren Magnetfeld schwach und kleinskalig ist und sich zudem fortlaufend ändert.

Seit der Entdeckung magnetischer Sterne vor mehr als einem halben Jahrhundert gibt es zwei Theorien, um ihr Magnetfeld zu erklären: Nach der einen Theorie wird das Feld durch Konvektion im Kern erzeugt, ähnlich wie das Magnetfeld der Erde. Die andere ist die "fossile Feld-Theorie", wonach diese Felder schlicht Überbleibsel sind von Magnetfeldern in den Gaswolken, aus denen Sterne entstanden sind. Für diese Erklärung gibt es indirekte Evidenzen, wie die Tatsache, dass die Magnetfelder unveränderlich sind. Doch das Hauptproblem besteht darin, dass man bisher keine Feldkonfiguration kannte, die so lange Zeit überleben kann. Alle bisher untersuchten Magnetfeldkonfigurationen sind instabil und würden bereits innerhalb weniger Jahre zerfallen.

Von daher vermutete man, dass es zum einen eine stabile Konfiguration für das Magnetfeld geben muss, und dass es zum anderen einen Weg geben müsste, auf dem sich das anfängliche Magnetfeld des Sterns dorthin entwickeln kann. Diese spezifische Konfiguration haben die Max-Planck-Forscher jetzt mit dreidimensionalen numerischen Simulationen gefunden, in denen die Entwicklung willkürlicher Anfangsfelder bis zu einem stabilen Endzustand verfolgt wird.

Dieses stabile Magnetfeld hat immer die gleiche Form - ein Reifen (Torus) aus verdrillten Feldlinien, vergleichbar jenen Feldern, die in modernen Fusionsreaktoren verwendet werden. Das Feld ähnelt einem defekten Autoreifen, bei dem die gebrochenen Drähte des Stahldrahtgeflechts durch die Oberfläche schauen. An der Oberfläche eines Sterns hat das Magnetfeld etwa die Form eines Dipols, was auch mit astronomischen Beobachtungen übereinstimmt.

Mit ihren Computersimulationen haben die Max-Planck-Wissenschaftler jetzt eine zuverlässige Basis für die Theorie der Magnetfelder in A-Sternen geschaffen: Bei diesen Feldern handelt es sich um Überbleibsel von Magnetfeldern, die in den galaktischen Gaswolken bestanden haben, aus denen der Stern geboren wurde. Die Forscher können jetzt auch erklären, wie diese Felder über Hunderte Millionen Jahre überleben können. Damit wird auch wahrscheinlich, dass Magnetfelder in Weißen Zwergen und Neutronensternen die gleiche Struktur und Stabilität besitzen.

Quelle: MPG \[AT\]

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  J. Braithwaite, H. Spruit, A fossil origin for the magnetic field in A stars and white dwarfs, Nature 431, 819 (2004).  
• Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.:
  http://www.mpg.de  
• Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching:
  http://www.mpa-garching.mpg.de  
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