Magnetar

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künstlerische Darstellung eines Magnetars mit Feldlinien

Ein Magnetar ist ein Neutronenstern, dessen Magnetfeld das 1.000-fache des bei Neutronensternen üblichen Wertes aufweist. Man schätzt, dass etwa 10 % aller Neutronensterne zu dieser Sternklasse zählen. Die Theorie der Magnetare wurde von Robert Duncan und Christopher Thompson entwickelt. Sie wurden 1998 von Chryssa Kouveliotou entdeckt.

Entstehung und Eigenschaften[Bearbeiten]

Neutronensterne entstehen nach den gängigen Theorien beim Kollaps von Sternen mit einer Kernmasse von etwa 1,4 bis 3 Sonnenmassen im Rahmen einer Supernova. Sie haben einen typischen Durchmesser von lediglich etwa 10 bis 20 km und ein extrem starkes Magnetfeld mit einer Flussdichte der Größenordnung 108 Tesla (T). Diese ergibt sich auf Grundlage der Gesetze der Elektrodynamik, wonach das Produkt aus Sternquerschnitt und Magnetfeld beim Kollaps des Vorläufersterns konstant bleibt.

Aufgrund des Pirouetteneffekts (Drehimpulserhaltung) rotieren Neutronensterne unmittelbar nach dem Kollaps mit Rotationsperioden im Millisekundenbereich. Ein Magnetar entsteht nur dann, wenn die Rotationsperiode unter 10 ms liegt und der Vorläuferstern ein relativ starkes Magnetfeld besaß. Andernfalls entsteht ein gewöhnlicher Neutronenstern bzw. Pulsar. Die Ursache sind Konvektionszonen in der ultradichten Neutronenmaterie, die unmittelbar nach dem Kollaps mit Rotationsperioden von 10 ms rotieren. Rotiert der Gesamtstern schneller, so setzt ein Dynamo-Effekt ein, der die enorme kinetische Energie der Konvektionswirbel innerhalb von etwa 10 s in Magnetfeldenergie umwandelt.

Dabei entsteht ein Magnetfeld, das mit 1011 T tausendmal so stark ist wie das eines gewöhnlichen Neutronensterns. Die Massendichte, die einem derartigen Magnetfeld über seine Energiedichte in Kombination mit der Äquivalenz von Masse und Energie gemäß E=mc^2 zugeordnet werden kann, liegt im Bereich einiger Dutzend Kilogramm pro Kubikmillimeter (kg/mm3). Ein solches Magnetfeld ist so stark, dass es die Struktur des Quantenvakuums verändert, so dass der materiefreie Raum doppelbrechend wird.

Ist die Achse des Magnetfeldes gegen die Rotationsachse geneigt, so wird eine periodische Radiowelle mit einer typischen Leistung im Bereich des 108-fachen der gesamten Strahlungsleistung der Sonne abgestrahlt. Die dazu erforderliche Energie wird der Rotationsenergie entnommen, die dadurch innerhalb von 10.000 Jahren weitgehend aufgezehrt wird. Die Rotationsperiode beträgt dann mehrere Sekunden. Gewöhnliche Pulsare werden erheblich weniger gebremst und rotieren daher deutlich schneller.

Ein Magnetar kann auch durch das Verschmelzen zweier Neutronensterne in einem engen Doppelsternsystem entstehen. Der dabei gebildete Magnetar generiert sein starkes Magnetfeld aufgrund der schnellen differentiellen Rotation, die eine Folge des Verschmelzungsprozesses ist[1].

Isolierte Neutronensterne, die über keinen Begleiter in einem Doppelsternsystem verfügen, werden zu den Magnetaren gezählt, wenn wenigstens drei der folgenden Eigenschaften beobachtet werden[2]:

  • Die Rotationsperiode liegt im Bereich von 1 bis 12 Sekunden
  • Die Abbremsrate der Rotation überschreitet 10-12 s s-1
  • Eine hohe und veränderliche permanente Röntgenhelligkeit in der Größenordnung von 1032 - 1036 erg s-1
  • Emission von kurzen Spitzen mit einer Dauer von 0,1 bis 10 Sekunden im Bereich der Röntgen- und Gammastrahlung mit 1034 - 1047 erg s-1

Magnetare strahlen auch in ihren Ruhephasen außerhalb von Strahlungsausbrüchen Röntgenstrahlung mit einer Leuchtkraft von 1027 bis 1029 W ab. Dabei handelt es sich um Wärmestrahlung von der Oberfläche des Neutronensterns unterhalb von 1 keV sowie eine zweite Komponente im Bereich von 10 bis 100 keV, die aber noch nicht bei allen Magnetaren nachgewiesen werden konnte. Die höherenergetische Komponente ist gepulst aufgrund der Rotation des Neutronensterns. Es wurden zwei Hypothesen für die harte Komponente der Röntgenstrahlung entwickelt[3]:

  • Relativistische Partikel bewegen sich entlang der Magnetfeldlinien und schlagen an den magnetischen Polen des Neutronensterns auf. Die beobachtete Röntgenstrahlung wäre in diesem Fall Bremsstrahlung.
  • Positron/Elektron-Paare streuen in der Magnetosphäre an Photonen und übertragen ihre Energie an sie. In diesem Fall müsste die meiste Röntgenstrahlung in einem Abstand von einigen Sternradien oberhalb der magnetischen Pole entstehen.

Strahlungsausbrüche[Bearbeiten]

Man kennt mehr als ein Dutzend Röntgenquellen in unserer Milchstraße, die als Kandidaten für Magnetare angesehen werden. Diese Objekte zeigen in unregelmäßigen Abständen Gamma- und Röntgen-Ausbrüche mit einer Dauer von wenigen Zehntel Sekunden. In dieser kurzen Zeit wird typischerweise soviel hochenergetische Strahlungsenergie freigesetzt, wie die Sonne in etwa 10.000 Jahren im gesamten Spektrum abstrahlt. Diesem kurzen und extremen Strahlungspuls folgt eine mehrminütige Relaxationsphase, in der die Strahlung abnimmt und dabei periodische Schwankungen im Bereich von mehreren Sekunden aufweist, der Rotationsperiode des Magnetars.

Diesen großen Ausbrüchen folgen in den Stunden bis Jahren danach meist weitere kleinere. Man nennt diese Strahlungsquellen daher auch Soft Gamma Repeater (SGR). Eine statistische Analyse dieser Ausbrüche zeigt eine auffällige Verwandtschaft mit der von Erdbeben. In der Tat nimmt man an, dass es sich dabei um Brüche in der äußeren Kruste des Magnetars handelt, die wie bei allen Neutronensternen aus einem Plasma von Elektronen und kristallin angeordneten Eisen- und anderen Atomkernen besteht. Als Ursache dafür werden Kräfte des Magnetfeldes angesehen, die auf diese feste Kruste einwirken.

Die größeren Ausbrüche führt man auf großräumige Umordnungsprozesse eines instabil gewordenen Magnetfeldes zurück, wie sie sich qualitativ ähnlich auch auf der Sonnenoberfläche ereignen und dort die so genannten Flares erzeugen. Danach würde die beobachtete hochenergetische Strahlung von einem Feuerball aus heißem Plasma auf der Oberfläche des Magnetars ausgesandt, der für einige Zehntel Sekunden durch das starke Magnetfeld lokal gebunden ist, was Feldstärken über 1010 T erfordert. Die Intensität der ausgesandten Strahlung wird auch damit in Verbindung gebracht, dass die Strahlung diesen Feuerball ungehindert durchdringen kann, da das starke Magnetfeld die freien Elektronen daran hindert, mit der elektromagnetischen Welle zu schwingen.

Soft Gamma Repeater und anomale Röntgenpulsare (engl. anomalous X-ray pulsar, AXP) zeigen eine konstante Röntgenstrahlung von 1026 bis 1029 W bei einer Rotationsperiode von 2 bis 12 s. Ihre Rotation verlangsamt sich mit einer Rate von 10−13 bis 10−10. Sporadisch zeigen sie Ausbrüche von Bruchteilen von Sekunden bis zu Minuten mit Energien von 1031 bis 1040 J. Nach den Ausbrüchen bleibt die konstante Röntgenhelligkeit meist für Jahre über dem Ruheniveau.

Man geht davon aus, dass Magnetare nur in den ersten 10.000 Jahren nach ihrer Entstehung solche Ausbrüche zeigen und danach ihre Magnetfelder stabilisiert haben. Der immer noch heiße Neutronenstern strahlt noch einige tausend Jahre als anomaler Röntgenpulsar weiter, bis seine Temperatur dafür nicht mehr ausreicht. Möglicherweise beherbergt die Milchstraße mehrere Millionen solcher unauffälliger Magnetare.

künstlerische Darstellung von SGR 1806-20

Am 27. Dezember 2004 um 22:30:26 MEZ wurde ein spektakulärer Strahlungsausbruch („Superflare“) des Soft Gamma Repeaters SGR 1806-20 beobachtet, der sich in Richtung des galaktischen Zentrums der Milchstraße in 50.000 Lichtjahren Abstand befindet. Die auf der Erde eintreffende Leistung von harter Gammastrahlung übertraf für etwa 0,1 s die des Vollmondes im sichtbaren Spektralbereich. Damit handelte es sich hinsichtlich der Strahlungsleistung um das hellste Objekt außerhalb des Sonnensystems, das jemals beobachtet wurde. Innerhalb von 0,1 s wurde soviel Energie abgestrahlt, wie die Sonne in 100.000 Jahren umsetzt. Diese Energie war etwa hundertmal stärker als die aller Magnetarausbrüche zusammen, die in der Milchstraße jemals beobachtet wurden. Nach etwa 0,2 s ging der Gamma-Blitz in weiche Gamma- und Röntgenstrahlung über. Hätte sich dieser Ausbruch in einem Abstand von 10 Lichtjahren ereignet, hätte er auf der Erde ein Massensterben oder Massenaussterben auslösen können.

Bei den großen Eruptionen werden auch quasi-periodische Oszillationen im Bereich der Röntgen- und Gammastrahlung mit Frequenzen im Bereich von 10 bis 1000 Hz beobachtet. Diese Oszillationen werden als seismische Schwingungen der Kruste des Neutronensterns interpretiert und können mit Hilfe der Asteroseismologie analysiert werden um den Aufbau von Neutronensternen zu untersuchen. Damit kann die Zustandsgleichung von Materie unter den hohen Drücken im Inneren der entarteten Sterne bestimmt werden und eine verlässliche Obergrenze für die Masse der Neutronensterne abgeleitet werden[4].

Der etwa 30.000 Lichtjahre entfernte Neutronenstern SGR J1550-5418 ist mit einer Rotationsperiode von 2,07 s der am schnellsten rotierende zur Zeit bekannte Magnetar. Er sendet zusätzlich in rascher Folge Gammastrahlungsblitze aus (es wurden mehr als einhundert Blitze in weniger als 20 Minuten registriert), wie Beobachtungen mit dem Fermi Gamma-ray Space Telescope zeigen. Beobachtungen mit dem Röntgenteleskop des Satelliten Swift zeigen außerdem, dass der Neutronenstern von kreisförmigen Strahlungsechos umgeben ist. Offenbar reflektiert Staub in seiner Umgebung einen Teil der Strahlung der Gammastrahlungsblitze.[5]

Es gibt mindestens zwei Quellen mit raschen Gammastrahlen-/Röntgenausbrüchen, deren Magnetfeld zu schwach für einen Magnetar ist. SGR 0418+5729 verfügt über ein Magnetfeld von nicht mehr als 7 · 108 T und zeigte während eines Ausbruchs Pulsationen mit einer Periode von 9,1 s. Auch die beobachtete Verlangsamung der Rotationsgeschwindigkeit von SGR 0418+5729 spricht für eine Magnetfeldstärke weit unterhalb der 1010 bis 1011 T, die bei der Definition eines Magnetars zu Grunde gelegt werden. Die ungewöhnliche Kombination von pulsierenden Gamma-/Röntgenausbrüchen und einem schwachen Magnetfeld könnten die Folge einer Akkretion aus einem zirkumstellaren Ring auf einen rotierenden Quarkstern sein[6]. Auch bei Swift J1822.3-1606 liegt ein aus der Rotationsverlangsamung abgeleitetes Dipolfeld unterhalb der kritischen Felddichte. Aus der Röntgenstrahlung während der Abkühlung ist das Alter von Swift J1822.3-1606 auf 500.000 Jahre abgeschätzt worden[7].

Die Interpretation des Ursprunges von SGRs und AXPs durch den Zerfall eines ultrastarken Magnetfeldes bei einem Neutronenstern, einem Magnetar, ist nicht ohne Kritik geblieben. Wenn die Strahlungsausbrüche von Magnetaren ausgehen würden sollten folgende Beobachtungen gemacht werden[8][9]:

  • Es sollte permanente Radiostrahlung von den Soft Gamma Repeatern und AXPs nachgewiesen werden wegen der hohen Magnetfelddichte. Die Beobachtungen zeigen dagegen nur temporäre Ausbrüche von Radiostrahlung.
  • Es sollte keine SGR mit Magnetfelddichten unterhalb von 7 · 108 T geben
  • Es sollte keine Pulsare mit Magnetfelddichten vergleichbar den Magnetaren ohne Anzeichen für die Strahlungsausbrüche der SGRs und AXPs geben. Genau dies ist jedoch beobachtet worden
  • Der junge Radiopulsar PSR J1846-0258 mit einem Alter von 880 Jahren zeigt starke Ausbrüche im Bereich der Röntgenstrahlung und verhält sich wie AXP. Sein Verlust an Rotationsenergie deckt den Bedarf an abgestrahlter elektromagnetischer Strahlung.

Es gibt alternative Hypothesen, wonach die Strahlungsausbrüche das Ergebnis eines Quarksterns in Kombination mit einer Akkretionsscheibe sind bzw. das Drift-Modell. Demnach entsteht die gepulste Strahlung nahe dem Lichtzylinder durch in Magnetfeldschlingen eingeschlossenem Plasma. In diesen Modellen ist kein Magnetar erforderlich, sondern ein schnell rotierender Neutronenstern mit einem Magnetfeld von um die 108 T[10]. Auch massereiche Weiße Zwerge mit einem starken Magnetfeld und Massen von 1,4 Sonnenmassen könnten Ausbrüche, die den Magnetaren zugeschrieben werden, erzeugen. Aufgrund des größeren Radius der Weißen Zwerge im Vergleich zu Neutronensternen verfügen sie über mehr Drehimpuls, der aufgrund der Abkühlung des Weißen Zwergs beim Schrumpfen freigesetzt werden kann und die erforderliche Energie für die Strahlungsausbrüche zur Verfügung stellt.

Magnetare zeigen Anti-Glitches im Gegensatz zu allen anderen isolierten Neutronensterne. Ein Glitch ist eine sprunghafte Periodenverkürzung der Rotationsdauer bei Pulsaren, die auf einen Transfer von Drehmoment aus dem Inneren des Neutronenstern auf seine Kruste interpretiert werden[11]. Die sprunghaften Periodenverlängerungen der Magnetare, die als Anti-Glitches bezeichnet werden, haben dagegen wahrscheinlich ihren Ursprung in der Magnetosphäre oder sind eine Folge von wind braking. Beide Hypothesen basieren auf der Beobachtung, dass die Anti-Glitches in einem zeitlichen Zusammenhang mit einem Strahlungsausbruch stehen[12].

Magnetare in überleuchtkräftigen Supernovae[Bearbeiten]

Eine kleine Gruppe von Supernovae strahlt ungefähr hundertmal mehr Energie ab als normale Supernova vom Typ I. Sie erreichen sowohl eine höhere Maximalhelligkeit als auch eine breitere Lichtkurve. Für diese überhellen Eruptionen sind drei Hypothesen entwickelt worden:

  • Eine intensive Wechselwirkung der Supernovahülle mit der zirkumstellaren Materie, die in einem vorherigen Stadium von dem Vorläuferstern abgeworfen wurde.
  • Es entsteht mehr 56Ni in einer Paarinstabilitätssupernova, wobei der Zerfall dieser radioaktiven Isotope die späten Stadien der Lichtkurve bestimmt.
  • Nach der Geburt eines Magnetars in der Supernova wird seine Rotationsgeschwindigkeit schnell abgebremst und die dabei freiwerdende Energie treibt die überleuchtkräftige Supernova.

Das Magnetarmodell erklärt besser als die beiden Alternativmodelle die häufig beobachtete unsymmetrische Lichtkurve nahe dem Maximum und die Varianz der Maximalhelligkeiten[13].

Das Millisekundenmagnetarmodell wird auch als eine mögliche Energiequelle für die Gammablitze langer Dauer angesehen. Dabei kommt es zu einem gravitativen Kollaps in einem massiven Stern, aus dem ein Proto-Neutronenstern mit einer Rotationsdauer in der Größenordnung von einer Millisekunde und einem starken Magnetfeld mit einer Magnetflußdichte von mehr als 1011 T hervorgeht. Aus diesem Proto-Neutronenstern kann eine Energie von bis zu 1045 J innerhalb einer Zeitspanne von 100 s extrahiert werden. Diese Energie tritt unter bestimmten Voraussetzungen entlang der Rotationsachse des massiven Sterns aus und beschleunigt einen Jet auf relativistische Geschwindigkeiten. Sind solche Jets auf die Erde gerichtet, werden sie hier als Gammablitze langer Dauer registriert. Der Magnetar kollabiert wahrscheinlich aufgrund rückfallender Materie innerhalb kurzer Zeit in ein Schwarzes Loch nach dem Überschreiten der Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze.[14]

Literatur[Bearbeiten]

  • Chryssa Kouveliotou, Robert C. Duncan, Christopher Thompson: Magnetare. Spektrum der Wissenschaft, Mai 2003, S. 56-63, ISSN 0170-2971
  • Cees Bassa (et al.): 40 years of pulsars - millisecond pulsars, magnetars and more. American Inst. of Physics, Melville 2008, ISBN 978-0-7354-0502-8

Weblinks[Bearbeiten]

 Wiktionary: Magnetar – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
 Commons: Magnetar – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  Bruno Giacomazzo, Rosalba Perna: Formation of Stable Magnetars from Binary Neutron Star Mergers. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2013, arXiv:1306.1608v1.
  2.  R. Turolla, P. Esposito: LOW-MAGNETIC-FIELD MAGNETARS. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2013, arXiv:1303.6052v1.
  3.  Andrei M. Beloborodov: On the mechanism of hard X-ray emission from magnetars. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2012, arXiv:1201.0664.
  4.  Daniela Huppenkothen et al.: Quasi-Periodic Oscillations and broadband variability in short magnetar bursts. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2012, arXiv:1212.1011.
  5. Wissenschaft Aktuell: Gamma-Feuerwerk mit Röntgen-Echo, 11. Februar 2009
  6.  Rachid Ouyed, Denis Leahy, Brian Niebergal: SGR 0418+5729 as an evolved Quark-Nova compact remnant. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2011, arXiv:1012.4510v2.
  7.  N. Rea et al.: A new low magnetic field magnetar: the 2011 outburst of Swift J1822.3-1606. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2012, arXiv:1203.6449v1.
  8.  H. Tong and R. X. Xu: What can Fermi tell us about magnetars?. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2012, arXiv:1210.4310.
  9.  H. Tong and R. X. Xu: Is magnetar a fact or fiction to us?. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2012, arXiv:1210.4680.
  10.  Malov I.F.: Do ”magnetars” really exist?. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2012, arXiv:1210.7797.
  11.  Maxim Lyutikov: Magnetospheric "anti-glitches" in magnetars. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2013, arXiv:1306.2264v1.
  12.  H. Tong: Anti-glitch of magnetar 1E 2259+586 in the wind braking scenario. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2013, arXiv:1306.2445v1.
  13.  Luc Dessart, D. John Hillier, Roni Waldman, Eli Livne, Stephane Blondin: Super-luminous supernovae: 56Ni power versus magnetar radiation. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2012, arXiv:1208.1214.
  14.  N. Bucciantini: Magnetars and Gamma Ray Bursts. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2012, arXiv:1204.2658.