Rätsel der Magnetare gelöst

Kosmische Exoten: Magnetare sind extrem dicht, drehen sich rasend schnell und besitzen die stärksten bekannten Magnetfelder im Kosmos. Wie sie entstehen, war bisher allerdings unbekannt. Jetzt haben Astronomen die Lösung dieses Rätsels gefunden – durch einen „Ausreißer-Stern“. Er belegt, dass Magnetare durch stellares Teamwork in einem Doppelstern-System sind. Der eine wird dabei zum Magnetar, den andere schleudert die Supernova ins All hinaus.

Wenn ein massereicher Stern in einer Supernova explodiert, dann bleibt neben den ausgeschleuderten Gashüllen entweder ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch übrig. So jedenfalls besagt es die gängige Theorie. Doch im 16.000 Lichtjahre entfernten Sternenhaufen Westerlund 1 gibt es eine Ausnahme: den Magnetar CXOU J164710.2-45516. Er ist ein Neutronenstern, der sich enorm schnell dreht und dadurch ein gewaltiges Magnetfeld erzeugt – Millionen Mal stärker als die stärksten Magneten auf der Erde.

Warum entstand kein Schwarzes Loch?

Von solchen Magnetaren gibt es in der Milchstraße nur rund zwei Dutzend Exemplare – und sie alle entstanden aus massereichen Sternen, bei deren Supernova eigentlich ein Schwarzes Loch übrig bleiben müsste. Stattdessen aber bildeten sich Neutronensterne. Auch der Magnetar im Sternhaufen Westerlund 1 entstand aus einem extrem massereichen Vorläuferstern mit 40-facher Sonnenmasse. „Wir konnten nicht verstehen, wie aus ihm ein Magnetar werden konnte“, sagt Erstautor Simon Clark von der Open University in Milton Keynes.

Er und seine Kollegen hatten jedoch einen Verdacht: Möglicherweise war ein Begleitstern schuld daran, dass der Magnetar-Vorläufer nicht zu einem Schwarzen Loch wurde. Von diesem allerdings war in der unmittelbaren Umgebung des Magnetars nichts zu sehen. Die Forscher gaben die Suche jedoch nicht auf. Sie vermuteten, dass der Begleiter durch die gewaltige Sternexplosion aus seiner Bahn geschleudert und zu einem „Ausreißer“ geworden war.

Lage des Magnetars und des Sterns Westerlund 1-5 im Sternhaufen. © ESO

Fahndung nach dem Begleitstern

Mit Hilfe des Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) auf dem Paranal in Chile suchten sie daher nach einem solchen Ausreißer-Stern weiter außen im Sternhaufen – und wurden fündig. Der neu entdeckte Stern Westerlund 1-5 rast zwar heute alleine durchs All, aber er besitzt gleich mehrere Eigenschaften, die auf seine Herkunft aus einem Doppelstern-System hindeuten. So hat der Stern eine relativ geringe Masse aber eine hohe Leuchtkraft, wie die Astromomen berichten. Zudem besitzt er eine hohe Geschwindigkeit, wie sie durch den Rückstoß einer Supernova zu erwarten wäre.

Auffallend ist außerdem eine äußerst ungewöhnliche chemische Zusammensetzung: Neben Wasserstoff und Stickstoff enthält er auch viel Kohlenstoff – eine Kombination, die es normalerweise bei Sternen nicht gibt. „Das ist ein schlagender Beweis, der zeigt, dass dieser Stern ursprünglich zusammen mit einem Begleitstern entstanden sein muss“, konstatiert Koautor Ben Ritchie von der Open University.

Materie-Pingpong im Doppelstern-System

Wie Westerlund 1-5 zu diesen seltsamen Eigenschaften kam und welche Rolle er für die Bildung des Magnetars spielte, haben die Forscher von ihren Daten ausgehend rekonstruiert: Zu Beginn umkreisen sich demnach zwei massereiche Sterne so eng, dass beide in die Umlaufbahn der Erde um die Sonne passen würden. Der massereichere von beiden hat als erster seinen Brennstoff verbraucht und bläht sich auf. Seine äußeren Schichten gehen dabei auf den masseärmeren Begleitstern über, der daraufhin beginnt, immer schneller zu rotieren. Diese schnelle Rotation ist bereits der erste Schritt, um ihn zu einem Magnetar werden zu lassen.

Im nächsten Schritt spielt dieser Magnetar-Vorläufer den Ball wieder zurück: Er ist nun so groß geworden, dass er seinerseits einen Teil seiner Materie wieder an den ersten Stern zurückgibt. Erst dann explodiert er in einer Supernova. Dieser Materietransfer kurz vor dem Ende ist die entscheidende Voraussetzung für die Bildung eines Magnetars, wie die Forscher erklären. Denn erst dadurch verliert der Vorläuferstern im letzten Moment die Masse, die ihn sonst zu einem Schwarzen Loch gemacht hätte.

Stattdessen wird er zu einem Magnetar und sein Begleiter – in diesem Falle Westerlund 1-5 – wird durch die Wucht der Explosion aus seiner Bahn geschleudert. Er hat durch den stellaren Austauschprozess einen Teil der Materie von seinem Nachbarstern übernommen – und dies erklärt auch seine seltsame Zusammensetzung. „Ein stellares Materieballspiel mit kosmischen Konsequenzen“, fasst Francisco Najarro vom Centro de Astrobiologia in Spanien zusammen. Und eines, das eine Antwort liefert auf die zuvor seit 35 unbeantwortete Frage nach der Herkunft der Magnetare – der stärksten Magnetobjekten im Kosmos. (Astronomy and Astrophysics, in press)

(ESO, 15.05.2014 – NPO)