Magnetare – Neutronensterne mit einem extrem starken Magnetfeld – gehören zu den stärksten Magneten des Universums, doch wie sie entstehen, war bislang unklar. Jetzt haben Astronomen erstmals einen möglichen Magnetar-Vorläufer entdeckt. Es handelt sich um einen rund 3000 Lichtjahre entfernten, massereichen Stern, der seine Wasserstoffhülle verloren hat und dessen Kern vorwiegend aus Helium besteht. Spektralmessungen belegen nun, dass dieser Heliumstern ein Magnetfeld von rund 43.000 Gauß besitzt. Damit ist der HD 45166 getaufte Stern der magnetischste massereiche Stern, der jemals nachgewiesen wurde, und könnte eine ganz neue Klasse von Sternen repräsentieren. Gleichzeitig macht dies den Heliumstern zu einem geeigneten Vorläufer eines Magnetars.
Wenn ein massereicher Stern in einer Supernova explodiert, bleibt als Relikt ein Schwarzes Loch oder ein Neutronenstern zurück – ein extrem dichter, kompakter Himmelskörper. In manchen Fällen jedoch entstehen Magnetare, Neutronensterne mit einem ungewöhnlich starken Magnetfeld. Sie sind nur 20 bis 30 Kilometer groß, aber extrem dicht und so schwer wie ein bis zwei Sonnen. Außerdem drehen sich Magnetare rasend schnell und besitzen die stärksten bekannten Magnetfelder im Kosmos. Ihre Magnetfeldstärke kann mehr als eine Million Tesla erreichen. Doch wie diese extremsten Magnete des Kosmos entstehen, ist bisher unklar. Einer Theorie nach erben die Magnetare das Magnetfeld von ihren massereichen Vorgängersternen. Durch den Kollaps des Sternenkerns zum Neutronenstern wird das Magnetfeld konzentriert und verstärkt. Allerdings wurden stärkere Magnetfelder bisher nur bei wenigen massereichen Hauptreihensternen nachgewiesen, nicht aber bei massereichen Sternen am Ende ihres Lebenszyklus.
Als weiterer Kandidat für Magnetar-Vorläufer gelten massereiche Heliumsterne. Diese Unterart der Wolf-Rayet-Sterne entsteht, wenn ein massereicher, sehr heißer und leuchtstarker Stern durch seine starken Sternenwinde nach und nach die gesamte Wasserstoffhülle verliert. Auch die Interaktion mit einem Partnerstern oder die Verschmelzung zweier Weißer Zwerge kann zu einem Heliumstern führen. Das Ergebnis ist ein freiliegender Sternenkern, der kaum noch Wasserstoff, aber viel Helium enthält. Wenn ein solcher Heliumstern ein Magnetfeld besitzt, könnte es bei seinem Kollaps zu einem Neutronenstern ebenfalls verstärkt werden und den Sternenrest zu einem Magnetar machen. Aber auch für dieses Szenario fehlten bislang die Belege: “Zwar wurden bereits stark magnetisierte massearme Heliumsterne beobachtet, nicht aber massereiche jenseits des Chandrasekhar-Limits”, erklären Tomer Shenar von der Universität Amsterdam und seine Kollegen. Das Chandrasekhar-Limit ist die Massengrenze, oberhalb der ein Sternenrest instabil wird und in einer Supernova explodiert.
Ein Heliumstern mit starkem Magnetfeld
Einen dieser Heliumsterne haben die Astronomen nun genauer untersucht. Der rund 3000 Lichtjahre entfernte heiße, heliumreiche Stern HD 45166 wurde schon vor längerer Zeit entdeckt. Über seine Eigenschaften war aber bisher nur bekannt, dass er einen weit entfernt kreisenden Begleitstern hat und einem Wolf-Rayet-Stern ähnelt. Allerdings gab es Merkmale, die nicht ins Bild passten, darunter eine Masse von weniger als vier Sonnenmassen und ungewöhnlich hohe Anteile von Stickstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff im Spektrum. Deshalb haben Shenar und sein Team HD 45166 mithilfe eines speziellen Spektropolarimeters am Canada-France-Hawaii Telescope (CFHT) auf dem Mauna Kea ins Visier genommen. Zusätzlich werteten sie spektrale Daten von weiteren Teleskopen aus.
Die Auswertungen der Beobachtungsdaten ergaben mehrere aufschlussreiche Anomalien bei dem Heliumstern: Der größte Teil seines Lichts war zirkulär polarisiert und die Sauerstofflinien im Spektrum waren auf charakteristische Weise in zwei Komponenten aufgespalten, wie Shenar und seine Kollegen feststellten. Dieses sogenannte Zeeman-Splitting zeigt an, dass es an der Oberfläche dieses Sterns ein Magnetfeld geben muss – je stärker die Spektrallinie aufgespalten ist, desto stärker ist das Magnetfeld. Aus diesen Daten konnten die Astronomen ermitteln, dass der Heliumstern HD 45166 ein Magnetfeld mit der Flussdichte von 43.000 Gauß besitzen muss. Er ist damit der magnetischste massereiche Stern, der je beobachtet wurde. „Die gesamte Oberfläche des Heliumsterns ist so magnetisch wie die stärksten vom Menschen hergestellten Magneten“, erklärt Co-Autor Pablo Marchant von der KU Leuven in Belgien. Gleichzeitig ist HD 45166 der erste massereiche magnetische Heliumstern. Er gehört damit zu einer ganz neuen Klasse von Sternen. „Es ist aufregend, eine neue Gattung von astronomischen Objekten zu entdecken“, sagt Shenar, „insbesondere dann, wenn sie sich die ganze Zeit über versteckt hielten.“
Vorläufer eines Magnetars
Dieser Heliumstern könnte demnach die Voraussetzungen erfüllen, um in einigen Millionen Jahren zu einem Magnetar zu werden. “Mit einer Masse von 2,03 Sonnenmassen erwarten wir, dass dieser Wolf-Rayet-ähnliche Stern zu einem Neutronenstern kollabieren wird”, erklärt das Team. Weil dabei der magnetische Fluss erhalten bleibt, aber die Größe des Sterns drastisch schrumpft, wird das Magnetfeld an der Oberfläche des resultierenden Neutronensterns entsprechend stärker. “Ausgehend von den gemessenen 43.000 Gauß und einem Radius des Neutronensterns von rund zwölf Kilometern, berechnen wir das zu erwartende Magnetfeld des Neutronensterns auf rund 110 Billionen Gauß”, schreiben die Astronomen. “Das liegt innerhalb der Spanne für Magnetare.” Damit könnte dieser Stern das Rätsel um die Entstehung der Magnetare lösen.
Gleichzeitig bestätigt eine ergänzende Simulation des Teams auch eine frühere These zu solchen Magnetar-Vorläufern. Denn wie Shenar und seine Kollegen feststellten, ist HD 45166 höchstwahrscheinlich aus der Verschmelzung der heliumreichen Kerne von zwei mittelschweren Vorläufersternen hervorgegangen. Diese umkreisten sich so eng, dass sie erst ihre Hülle teilten und diese dann bei ihrer Verschmelzung ausschleuderten. Erst dadurch entstand der massereiche, magnetische Heliumstern.
Quelle: Tomer Shenar (Universität Amsterdam) et al., Science, doi: 10.1126/science.ade3293
An der Grenze des Periodensystems
