Forschungsbericht 2014 - Max-Planck-Institut für Astrophysik

Asteroseismologie bei Magnetaren

Autoren
Gabler, Michael; Müller, Ewald; Cerdá-Durán, Pablo; Font, Antonio; Stergioulas, Nikolaos
Abteilungen
Stellare Astrophysik
Zusammenfassung
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. Dazu werden die elastischen Scherschwingungen der Kruste und Schwingungen durch das Magnetfeld von Neutronensternen mit starken Magnetfeldern „Magnetare” mit Computermodellen untersucht. Derzeitige Röntgenbeobachtungen können nur durch diese gekoppelten Schwingungen erklärt werden.
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Original 1508157096
Abb. 1: Künstlerische Darstellung eines Magnetars.
Abb. 1: Künstlerische Darstellung eines Magnetars.

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 mit einem Radius von ca. 10km. 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, muss der Aufbau von Neutronensternen verstanden werden (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.

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Original 1508157097

Abb. 2: Schematischer Aufbau eines Neutronensterns mit etwa 1,5 Sonnenmassen und einem Durchmesser von ca. 20 km. Eine feste Kruste (mit einer Dicke von 1−2 km) 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. 2: Schematischer Aufbau eines Neutronensterns mit etwa 1,5 Sonnenmassen und einem Durchmesser von ca. 20 km. Eine feste Kruste (mit einer Dicke von 1−2 km) 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.

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 Alfvén-Schwingungen liegen für Magnetfelder von 1014 bis einige 1015 Gauss im beobachteten Frequenzbereich. Diese Alfvén-Schwingungen sind nicht nur auf die feste Kruste beschränkt, sondern liefern auch Informationen über die Zusammensetzung des flüssigen Kerns des Neutronensterns.

Zusammen mit Kollegen von anderen Instituten entwickelten Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astrophysik ein Modell, das diese beiden Schwingungsarten miteinander koppelt [1−4]. 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 Alfvén-Schwingungen [4]. Für die interessanten Magnetfelder von ca. 1015 Gauss werden die rein elastischen Krustenschwingungen sehr effektiv von den Alfvén-Schwingungen 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 [2,3].

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Original 1508157098
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.
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.

Um die Schwingungen beobachten zu können, muss die Intensität der vom Neutronenstern emittierten elektromagnetischen Strahlung moduliert werden. Ein Modell (Abb. 3) beschreibt hierbei die Kopplung des Magnetfeldes im Sterninneren an das Feld der Magnetosphäre in der Umgebung des Sterns [1]. 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 zeigen. Die Röntgen- bzw. Gammaspektren, die mit dem Kern-Kruste-Magnetosphären-Modell berechnet wurden, können sich für die Planung neuer Röntgenobservatorien als sehr nützlich erweisen.

Literaturhinweise

1.
Gabler, M.
Coupled Core-crust-magnetosphere oscillations of magnetars
Dissertation, TU München, Nov. 2011
2.
Gabler, M.; Cerdá-Durán, P.; Font, J. A.; Müller, E.; Stergioulas, N.
Magneto-elastic oscillations of neutron stars: exploring different magnetic field configurations
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 430, 1811-1831 (2013)
3.
Gabler, M.; Cerdá-Durán, P.; Stergioulas, N.; Font, J. A.; Müller, E.
Magnetoelastic oscillations of neutron stars with dipolar magnetic fields
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 421, 2054-2078 (2012)
4.
Gabler, M.; Cerdá-Durán, P.; Font, J. A.; Müller, E.; Stergioulas, N.
Magneto-elastic oscillations and the damping of crustal shear modes in magnetars
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 410, L37-L41 (2011)
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