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Aktuelle Forschung :: März 2004

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Magnetfelder von A-Sternen und Weissen Zwergen erklärt

Wie kann ein Stern magnetisch sein? In seiner Doktorarbeit am Max-Planck-Institut für Astrophysik hat Jonathan Braithwaite eine Antwort auf die Frage gefunden, wie magnetische Konfigurationen in Sternen während ihrer ganzen Lebensdauer erhalten bleiben können.

Abb. 1: Diese Stereobilder zeigen die räumliche Struktur der mit numerischen Entwicklungrechnungen gefundenen Feldkonfigurationen. Blaue Linien zeigen das verdrillte Feld im stabilen Torus unter der Sternoberfläche, rote die Feldlinien die durch die Oberfläche laufen. Die schwarze Schleife zeigt den Kern des Torus. Das Feld ist statisch auf menschlichen Zeitskalen, entwickelt sich aber langsam über Jahrmillionen (Abb. 2). Das obere Stereopaar zeigt, wie das Feld in einem Ap-Stern oder Weissen Zwerg ausschauen würde, das untere die Konfiguration in der instabilen Endphase kurz vor dem Verschwinden des Feldes. Der Torus hat sich verformt wie die Naht auf einem Tennisball.

Abb. 2 (zum Vergrößern anklicken): Langzeitentwicklung der Feldkonfiguration. Die Bilder zeigen das axialsymmetrische Mittel des 3-dimensionalen Feldes von Abb. 1, projiziert auf eine Fläche durch die magnetische Achse. Rot: die 'poloidalen' Feldlinien, blau: der durch die azimuthale Feldkomponente definierte stabile Torus. Die Feldstärke an der Oberfläche steigt an durch magnetische Diffusion des Torus. Wenn der azimuthale Fluss im Torus zu klein wird, wird das Feld instabil und zerfällt schnell (letztes Bild).

Diese Entdeckung ist von Bedeutung für drei Gruppen von Sternen, in denen ein starkes Magnetfeld beobachtet wird: die sogenannten magnetischen Ap-Sterne, magnetische Weisse Zwerge und die `Magnetare' (Neutronensterne mit extrem starken Magnetfeldern). Im Gegensatz zum Magnetfeld der Sonne, das kleinskalig ist und sich dauernd ändert, ist das Feld in diesen Sternen großskalig, stark und statisch.

Seit der Entdeckung magnetischer Sterne vor mehr als einem halben Jahrhundert hat es zwei Ideen gegeben zur Erklärung ihrer Magnetfelder: Eine schlägt vor, dass das Feld durch Konvektion im Kern erzeugt wird. Die andere ist die `fossile Feld-Theorie', die Idee, dass diese Felder einfach Überbleibsel sind von den Magnetfeldern in den Gaswolken, aus denen Sterne entstehen. Es gibt indirekte Evidenz für diese Theorie, das Hauptproblem ist aber, dass keine Feldkonfiguration bekannt war, die so lange überleben kann. Alle bis jetzt (mit analytischen Mitteln) untersuchten Magnetfeldkonfigurationen sind instabil und würden in einigen Jahren zerfallen (sehr kurz also im Vergleich zu der Lebensdauer eines Sterns). Es müsste aber eine stabile Konfiguration geben, und das Feld müsste einen Weg dorthin finden können. Diese besondere Konfiguration ist jetzt mittels 3-dimensionaler numerischer Simulationen gefunden, in denen die Entwicklung willkürlicher Anfangsfelder bis zum stabilien Endzustand verfolgt wurde.

Das stabile Feld hat immer die gleiche Form: ein Reifen (Torus) aus verdrillten Feldlinien, vergleichbar mit den Feldern, die in Fusionsreaktoren verwendet werden. An der Sternoberfläche hat es ungefähr, aber nicht exakt, die Form eines Dipols, in Übereinstimmung mit den Beobachtungen. Es stellt sich heraus, dass Form und Existenz dieser Konfigurationen eng zusammenhängen mit einer globalen Grösse, der sogenannten magnetischen Helizität.

Mit diesen Ergebnissen ist jetzt eine zuverlässige Basis vorhanden für die Theorie der Magnetfelder in A-Sternen, Weissen Zwergen und Neutronensternen.

J. Braithwaite, H. Spruit

Referenz:

Doktorarbeit J. Braithwaite, Universität von Amsterdam, 8. April 2004.

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