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  Aktuelle Forschung :: Februar 2013 Zur Übersicht

Asteroseismologie bei Magnetaren

Seismische Wellen auf der Erde enthalten Informationen über die Struktur unseres Planeten, seismische Schwingungen auf weit entfernten Sternleichen könnten nicht nur etwas über den Stern selbst verraten, sondern auch dazu beitragen, die grundlegenden Bestandteile der Materie besser zu verstehen. Studienobjekt: Neutronensterne mit starken Magnetfeldern. Verfahren: ein neues Modell, das elastische Scherschwingungen der Kruste und Schwingungen durch das Magnetfeld gemeinsam berücksichtigt. Derzeitige Röntgenbeobachtungen können nur durch die gekoppelten Schwingungen erklärt werden und das Modell kann sogar vorhersagen, wie die energiereiche Strahlung durch diese Schwingungen moduliert wird.

Abb. 1: Künstlerische Darstellung eines Magnetars.
Credit: NASA

Abb. 2: Schematischer Aufbau eines Neutronensterns mit etwa 1,5 Sonnenmassen und einem Durchmesser von ca. 20 km. Eine feste Kruste (mit 1-2 km Dicke) umgibt den flüssigem Kern, der hauptsächlich aus Neutronen, Protonen und Elektronen besteht. Ein Magnetfeld (rote Linien) durchdringt den gesamten Stern und setzt sich in seine Magnetosphäre fort.

Abb. 3: Schematische Darstellung der Modulation der elektromagnetischen Strahlung in der Magnetosphäre eines Neutronensterns. Entlang der magnetischen Feldlinien (magenta) fließen elektrische Ströme (gelb), die hauptsächlich aus Elektronen und Positronen bestehen. Die Röntgenstrahlung der Sternoberfläche (schwarz) wird an diesen Ladungsträgern resonant gestreut. Die resultierende hochenergetische Gammastrahlung kann weitere Elektron-Positron-Paare erzeugen.

Neutronensterne sind die Überreste gewaltiger Supernovaexplosionen (Abb. 1) und die kompaktesten Sterne im Universum. Ihre Masse von ein bis drei Sonnenmassen verdichtet sich unter dem Einfluss ihrer eigenen Gravitation zu einer fast perfekten Kugel von ca. 10 km Radius. Die Dichte im Inneren eines Neutronensterns übersteigt sogar die eines Atomkerns. Diese Bedingungen können auf der Erde nicht erzeugt werden. Um unsere Kenntnisse über die Materie und die Wechselwirkungen zwischen den kleinsten Materiebestandteilen wie Neutronen, Protonen, Elektronen aber auch Myonen, Hyperonen und Quarks verbessern zu können, müssen wir den Aufbau von Neutronensternen verstehen (Abb.2). Dabei spielt eine spezielle Klasse von Neutronensternen, die sogenannten Magnetare, eine besondere Rolle.

Magnetare sind die stärksten Magnete im Universum. Man schätzt, dass die Magnetfelder an ihrer Oberfläche Werte von bis zu einigen 1015 Gauss erreichen, womit sie etwa 100 Milliarden mal stärker wären als die stärksten Magnetfelder auf der Sonnenoberfläche (von denen auf der Erde ganz zu schweigen). Von Zeit zu Zeit zeigen Magnetare gigantische Gammastrahlenausbrüche, die auf eine katastrophale Reorganisation ihres Magnetfeldes zurückgeführt werden. Während dieser Ausbrüche beobachteten Astronomen im Röntgenspektrum der Magnetare eine Anzahl von diskreten Frequenzen, die nach dem gängigen Modell von Schwingungen des Sterns selbst stammen. Diese Beobachtungen wären demnach der erste Nachweis von Schwingungen in Neutronensternen. Damit könnte man, analog zur Seismologie auf der Erde oder Helioseismologie auf der Sonne, den Aufbau von Neutronensternen mittels Asteroseismologie untersuchen.

Die beobachteten Frequenzen passen in ihren Größenordnungen sehr gut zu torsionalen, elastischen Scherschwingungen der Kruste von Neutronensternen. Da die genauen Schwingungsfrequenzen direkt von den Eigenschaften der Materie in der Kruste abhängen, kann man durch diese Frequenzen etwas über die Materie der Kruste erfahren. Aber nicht alle Schwingungen lassen sich als Scherschwingungen erklären. Auch die Frequenzen der vom Magnetfeld verursachten Alfvénschwingungen liegen für Magnetfelder von 1014 bis einige 1015 Gauss im beobachteten Frequenzbereich. Diese Alfvénschwingungen sind nicht nur auf die feste Kruste beschränkt, sondern liefern auch Informationen über die Zusammensetzung des flüssigen Kerns des Neutronensterns.

In seiner Promotionsarbeit am Max-Planck-Institut für Astrophysik entwickelte Michael Gabler zusammen mit Kollegen an anderen Instituten ein Modell, das diese beiden Schwingungsarten miteinander koppelt. Die Eigenschaften des gekoppelten Systems können so mittels relativistischer magneto-hydrodynamischer Computersimulationen untersucht werden. Dabei stellte sich heraus, dass die Stärke der Kopplung und die resultierenden magneto-elastischen Schwingungen von der Magnetfeldstärke abhängen: Für schwache Magnetfelder dominieren die Scherschwingungen in der Kruste und für starke Felder die Alfvénschwingungen. Für die interessanten Magnetfelder von ca. 1015 Gauss werden die rein elastischen Krustenschwingungen sehr effektiv von den Alfvénschwingungen des Kerns absorbiert . Daher kommen zur Erklärung der Beobachtungen nur gekoppelte (d.h. magneto-elastische) Schwingungen in Betracht, deren Frequenzen gut mit den beobachteten Werten übereinstimmen.

Um die Schwingungen beobachten zu können, müssen sie die Intensität der vom Neutronenstern emittierten elektromagnetischen Strahlung modulieren. Ein Modell (Abb.3) beschreibt hierbei die Kopplung des Magnetfeldes im Sterninneren an das Feld der Magnetosphäre in der Umgebung des Sterns. Infolge der Kopplung schwingt auch das externe Magnetfeld, wodurch sehr starke elektrische Ströme in der Magnetosphäre induziert werden. Vom Stern oder Gammablitz ausgehende Photonen werden an den elektrischen Ladungsträgern (Elektronen und Positronen) dieser Ströme gestreut. Diese resonante Zyklotronstreuung ist sehr effektiv und kann die beobachtete Modulation der harten Röntgenstrahlung erklären, wie Monte-Carlo Rechnungen zeigten. Die Röntgen- bzw. Gammaspektren, die mit dem Kern-Kruste-Magnetosphären-Modell berechnet wurden, können sich für die Planung neuer Röntgenobservatorien als sehr nützlich erweisen.

Anmerkung

Für seine Doktorarbeit „Coupled core-crust-magnetosphere oscillations of magnetars“ erhielt Michael Gabler den PhD-Preis 2012 des Exzellenzclusters Universums in der Kategorie „Theorie“.


Michael Gabler und Ewald Müller


Referenzen

Doktorarbeit, Michael Gabler, TU München, Nov. 2011

Gabler, M., Cerdá-Durán, P., Font, J.A., Müller, E., Stergioulas, N; akzeptiert von MNRAS , linkPfeilExtern.gifarXiv:1208.6443

Gabler, M., Cerdá-Durán, P., ,Stergioulas, N, Font, J.A., Müller, E.; MNRAS 2012, 411, linkPfeilExtern.gifarXiv:1109.6233

Gabler, M., Cerdá-Durán, P., Font, J.A., Müller, E., Stergioulas, N.; MNRAS 2011, 410L, linkPfeilExtern.gifarXiv:1007.0856



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Letzte Änderung: 30.1.2013