Ein internationales Team von Wissenschaftlern, darunter Forscher des Fachbereichs Astrophysik des CEA-Paris Saclay, hat die Entstehung ihres Magnetfelds, das durch die Tayler-Spruit-Dynamo induziert wird, und dessen Entwicklung über Zeiträume von mehreren hunderttausend Jahren modelliert.
Abbildung 1 - Konfiguration der magnetischen Feldlinien eines Dipolfelds in der Kruste des Neutronensterns unmittelbar nach seiner Entstehung, einige Dutzend Sekunden nach der Supernova-Explosion.
Credit: Igoshev et al. 2025
Diese Dynamo wird durch den Materieeinsturz auf den Neutronenstern kurz nach seiner Entstehung, infolge der Explosion des Muttersterns als Supernova, erzeugt. Die Ergebnisse der Simulationen stimmen mit den Beobachtungen von Magnetaren mit schwachem Feld ("low-B") überein, Neutronensternen, deren dipolare Magnetfelder 10- bis 100-mal schwächer sind als die klassischer Magnetare.
Diese Ergebnisse bieten einen bedeutenden Durchbruch, indem sie ein seit der Entdeckung dieser Magnetare im Jahr 2010 bestehendes wissenschaftliches Rätsel lösen. Sie deuten auch darauf hin, dass Magnetare mit schwachem Feld durch einen anderen Prozess entstehen als klassische Magnetare, wahrscheinlich aufgrund von Variationen in den Dynamos der Neutronensterne während ihrer Entstehung.
Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.
Der Tayler-Spruit-Dynamo-Mechanismus...
Neutronensterne sind die Überreste massereicher Sterne, die ihren Brennstoff verbraucht und dann als Supernova explodiert sind, wobei sie den größten Teil ihrer äußeren Schichten abgestoßen haben. Unter ihnen zeichnen sich Magnetare durch ihre intensiven Magnetfelder aus, die bis zu 1015 Gauß erreichen können, also etwa zehn Milliarden Mal stärker als die von Menschen erzeugten Felder. Diese extremen Felder machen Magnetare zu hellen, vorübergehenden Quellen von Röntgen- und Gammastrahlen. Eine zentrale Frage bleibt: den genauen Ursprung dieser Felder und ihre Entwicklung über Millionen von Jahren zu verstehen.
Im Jahr 2022 schlug ein Team des Fachbereichs Astrophysik (DAp) des CEA Saclay ein innovatives Szenario vor, um die Entstehung dieser extremen Magnetfelder zu erklären, basierend auf der Tayler-Spruit-Dynamo, einem Prozess, der die Bewegung von Plasma in ein Magnetfeld umwandelt. Die Tayler-Spruit-Dynamo wird insbesondere aktiviert, wenn die bei der Supernova-Explosion ausgestoßene Materie auf den jungen Neutronenstern zurückfällt.
Im Jahr 2023 ermöglichte eine umfassende Studie unter Verwendung dreidimensionaler numerischer Simulationen die Reproduktion der beobachteten Intensitäten der Magnetfelder von Magnetaren (siehe Abbildung 1). Diese Simulationen beschränkten sich jedoch auf die ersten zehn Sekunden nach der Entstehung des Proto-Neutronensterns. Es blieb also zu klären, wie sich diese Felder über lange Zeiträume entwickeln.
Abbildung 2 - Konfiguration der magnetischen Feldlinien und Verteilung der Oberflächentemperatur (Legende rechts im Bild) in der Kruste des Neutronensterns, 200.000 Jahre nach seiner Entstehung (siehe Abbildung 1).
Die numerische Simulation reproduziert die komplexe Topologie des Magnetfelds, einschließlich zweier wesentlicher Merkmale von Magnetaren mit schwachem Feld:
1. Ein schwaches dipolares Magnetfeld;
2. Das Vorhandensein von extrem starken kleinskaligen Magnetfeldern, die bis zu 50- bis 100-mal stärker sind als das Dipolfeld.
Diese Ergebnisse stimmen mit den Beobachtungen der Magnetare SGR 0418+5729 und Swift J1882.3-1606 überein, die durch ähnliche magnetische Strukturen gekennzeichnet sind. Credit: Igoshev et al. 2025
... könnte die Entstehung von Magnetaren mit schwachem Feld erklären
Um die langfristige Entwicklung von Magnetaren zu untersuchen, deren Magnetfeld durch die Tayler-Spruit-Dynamo erzeugt wird, arbeitete das Team des Fachbereichs Astrophysik (DAp) des CEA Saclay mit Forschern der Universitäten Newcastle und Leeds zusammen, die sich auf die Entwicklung von Neutronensternen über Zeitskalen von bis zu mehreren hunderttausend Jahren spezialisiert haben.
Dr. Andrei Igoshev, Hauptautor der Studie und Forscher an der School of Mathematics, Statistics and Physics der Universität Newcastle, erklärt: "Diese Studie zeigt, dass dieser Prozess eine entscheidende Rolle bei der Entstehung der Magnetfelder von Magnetaren mit schwachem Feld durch die Tayler-Spruit-Dynamo spielt."
Die in dieser Studie durchgeführten numerischen Simulationen (siehe Abbildung 2) reproduzieren die wichtigsten beobachteten Merkmale von Magnetaren mit schwachem Feld ("low-B"), darunter:
- Schwache dipolare Magnetfelder: Diese Magnetare weisen Magnetfelder auf, die 10- bis 100-mal schwächer sind als die klassischer Magnetare, mit Werten unter 1013 Gauß.
- Röntgen-Lichtkurven: Aufgrund ihrer extrem hohen Temperaturen emittieren Magnetare hauptsächlich im Röntgenbereich. Die Simulationen reproduzieren diese thermische Emission, die durch heiße Flecken auf der Sternoberfläche moduliert wird, genau.
- Röntgenausbrüche und -eruptionen: Das starke Magnetfeld verformt die Kruste des Neutronensterns und verursacht sporadisch kleine Brüche. Diese Verformungen lösen helle Blitze in Röntgen- und Gammastrahlen aus. Die Simulationen zeigen, dass die Bedingungen für diese Ereignisse gut reproduziert werden.
- Langsame Rotationsperioden: Wie klassische Magnetare weisen auch Magnetare mit schwachem Feld eine lange Rotationsperiode im Vergleich zu anderen Neutronensternen auf. Eine Hypothese besagt, dass diese Magnetare gealterte Versionen klassischer Magnetare sein könnten, deren anfänglich starkes Dipolfeld ihren Drehimpuls extrahiert hätte, bevor es allmählich abgebaut wurde. Diese Studie bietet eine andere Erklärung: Ihre langsame Rotationsperiode könnte auf die Wechselwirkung mit der umgebenden Materie zurückzuführen sein, die nach der Supernova zurückfällt und die Rotation des Sterns nach der Erzeugung des Magnetfelds verlangsamt.
Ein wissenschaftliches Rätsel gelöst!
Durch diese Studie haben die Forscher gezeigt, dass die Tayler-Spruit-Dynamo, die durch den Rückfall von Materie nach der Supernova-Explosion aktiviert wird, ein Schlüsselmechanismus für die Entstehung von Magnetaren mit schwachem Feld ist. Diese Arbeit zeigt, dass diese Objekte nicht unbedingt entwickelte Überreste klassischer Magnetare sind, sondern bereits bei ihrer Entstehung durch einen dynamischen Prozess entstehen können. Dieses Szenario bietet somit eine vollständige und konsistente Erklärung der beobachteten Phänomene und löst gleichzeitig ein seit ihrer Identifizierung im Jahr 2010 bestehendes wissenschaftliches Rätsel.
"Indem sie den Dynamo-Prozess direkt mit den beobachtbaren Eigenschaften von Magnetaren verbinden, eröffnen diese Simulationen, die erstmals die langfristige Entwicklung des Magnetfelds ausgehend von einem durch einen solchen Prozess kohärent erzeugten Feld beschreiben, einen neuen Weg, um die Entstehung dieser mysteriösen Objekte einzugrenzen", freut sich Jérôme Guilet, Forscher am DAp und einer der Autoren der Studie.