Simulationen des Indian Institute of Science zeigen, dass starke innere Magnetfelder die Masse von Weißen Zwergen über die klassische Chandrasekhar-Grenze von 1,4 Sonnenmassen hinauswachsen lassen können. In einem Computerszenario erreichte ein magnetisierter Stern rund 2,4 Sonnenmassen.
Dass sterbende Sterne eine fundamentale Massengrenze besitzen, gehört seit fast einem Jahrhundert zu den Grundpfeilern der Astrophysik. Wenn sonnenähnliche Sterne ihren nuklearen Brennstoff aufbrauchen und ihre äußeren Schichten abwerfen, bleibt ein extrem dicker, etwa erdgrosser Kern zurück: ein Weißer Zwerg. Bislang galt für diese kompakten Himmelskörper ein oberes Limit von rund 1,4 Sonnenmassen, die sogenannte Chandrasekhar-Grenze. Eine Studie von Forschern des Indian Institute of Science zeigt nun jedoch, dass starke interne Magnetfelder diese ikonische Obergrenze kräftig verschieben können.
Simulationen am Computer bilden die Sternentwicklung nach
Um herauszufinden, ob sogenannte super-Chandrasekhar-Sterne überhaupt natürlich entstehen können, erweiterte das Forscherteam um Professor Banibrata Mukhopadhyay das an der University of Cambridge entwickelte Sternentwicklungsprogramm STARS. Damit liess sich der gesamte Lebensweg eines Sterns verfolgen – von der langjährigen Wasserstofffusion auf der Hauptreihe bis hin zum kompakten Endstadium und der anschliessenden Materieaufnahme in einem Doppelsternsystem. In einem der Modelle entstand aus einem Stern mit acht Sonnenmassen zunächst ein Weißer Zwerg aus Kohlenstoff und Sauerstoff mit 1,02 Sonnenmassen, der anschließend pro Jahr ein Milliardstel einer Sonnenmasse an Materie aufnahm.
„Die Idee entstand 2011, als ein Sommerstudent zu mir kam und ich ihm ganz beiläufig eine Aufgabe stellte: zu prüfen, ob sich die Chandrasekhar-Grenze durch ein Magnetfeld überschreiten lässt.“
Banibrata Mukhopadhyay, Professor am Department of Physics des IISc
Aus einem anfänglich unscheinbaren Anfangszustand wuchs in den Berechnungen ein Kohlenstoff-Sauerstoff-Kern heran, der durch den kontinuierlichen Materiestrom vom Begleitstern immer dichter wurde. Während der Weiße Zwerg schrumpfte, verstärkte sich sein inneres Magnetfeld massiv. Nach den im The Astrophysical Journal Letters veröffentlichten Ergebnissen kletterte die zentrale Feldstärke in den Modellen auf rund 80 Billionen Gauß.
Magnetischer Druck hält der enormen Schwerkraft stand
In gewöhnlichen Weißen Zwergen sorgt ausschliesslich der quantenmechanische Druck der Elektronen dafür, dass der Stern nicht unter seiner eigenen Schwerkraft kollabiert. Wenn sich die Masse jedoch der klassischen Grenze nähert, reicht diese Stützfunktion nicht mehr aus; bei Kohlenstoff-Sauerstoff-Kernen kann dies eine unkontrollierte Kohlenstofffusion und schliesslich eine Type-Ia-Supernova auslösen. Das neu modellierte Magnetfeld ändert dieses Kräfteverhältnis grundlegend.
Der zusätzliche magnetische Druck im Inneren hilft dem Sternrest, der enormen Gravitation zu trotzen. In einem konkreten Modellvergleich stieß das unmagnetisierte Modell exakt bei den gewohnten 1,4 Sonnenmassen an seine Grenzen, während die magnetisierte Variante erst bei etwa 2,4 Sonnenmassen stoppte.
„Die entscheidende Frage war nicht einfach, ob ein Weißer Zwerg oberhalb der Chandrasekhar-Grenze möglich ist, sondern ob sich ein Stern tatsächlich zu einem solchen entwickeln kann. Unsere Simulationen ermöglichten es uns, diesen Entwicklungsweg vom Hauptreihenstern bis zum Weißen Zwerg zu verfolgen und zu zeigen, dass ein solcher Weg unter bestimmten Bedingungen möglich ist.“
Zenia Zuraiq, Doktorandin am Department of Physics des IISc
Blick auf Supernovae und kosmische Entfernungen
Die neuen Berechnungen liefern auch Ansätze zur Lösung älterer astronomischer Rätsel. Einige gut erforschte Weiße Zwergsterne weisen im Verhältnis zu ihrer gemessenen Masse einen auffallend grossen Radius auf, der sich mit klassischen Modellen bisher nur schwer erklären liess. Der im Sterninneren wirkende magnetische Druck bietet hierfür eine physikalische Erklärung, da er den Reststern leicht aufbläht.
Zudem könnten massereichere Vorläufersterne erklären, warum bestimmte Type-Ia-Supernovae ungewöhnlich hell leuchten, wobei Beobachtungen solcher überdurchschnittlich hellen Supernovae auf eine Möglichkeit hindeuten, dass die Massengrenze bis zu 2,8 Sonnenmassen betragen könnte. Da Astronomen diese explosionsartigen Sternenkerne als sogenannte Standardkerzen nutzen, um kosmische Entfernungen und die Expansion des Universums zu bestimmen, hat ein exakteres Verständnis der zugrundeliegenden Massengrenzen direkte Relevanz für die Kosmologie.
