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Weiße Zwerge können dank starker Magnetfelder die Chandrasekhar-Grenze knacken
Weiße Zwerge haben unter üblichen Bedingungen eine Massenobergrenze von rund 1,4 Sonnenmassen. Computersimulationen zeigen nun, dass starke innere Magnetfelder diese Grenze unter bestimmten Voraussetzungen deutlich anheben könnten. In einem Modell erreichte ein solcher Sternenrest 2,4 Sonnenmassen. Das könnte helfen, außergewöhnlich helle Sternexplosionen zu erklären, belegt ihre Entstehung aber noch nicht.
Bengaluru (Indien). Weiße Zwerge sind die extrem dichten Überreste von Sternen, die ihre äußeren Hüllen abgestoßen haben. Obwohl sie etwa die Größe der Erde besitzen, enthalten sie einen erheblichen Anteil der ursprünglichen Sternmasse. Der Druck entarteter Elektronen verhindert normalerweise, dass ihre Schwerkraft sie weiter zusammenpresst. Bei rund 1,4 Sonnenmassen erreicht diese Stütze jedoch ihre bekannte Grenze.
Für die Astronomie spielt diese Chandrasekhar-Grenze eine wichtige Rolle, weil Weiße Zwerge unter bestimmten Bedingungen als Supernovae vom Typ Ia explodieren können. Einige dieser Sternexplosionen sind ungewöhnlich hell. Als mögliche Erklärung gelten besonders massereiche Vorläufersterne, deren Entstehung mit den üblichen Modellen schwer zu verstehen ist.
Forscher des Indian Institute of Science (IISc) um Prof. Banibrata Mukhopadhyay haben deshalb untersucht, ob Magnetfelder einen Entwicklungsweg zu solchen schweren Weißen Zwergen ermöglichen. Bisherige theoretische Modelle hatten die zusätzliche Stützwirkung starker Magnetfelder bereits beschrieben. Unklar blieb jedoch, ob ein Stern diese Zustände im Verlauf seiner Entwicklung tatsächlich erreichen kann.
„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“, erklärt Prof. Banibrata Mukhopadhyay.
Dazu hat das Team das Sternentwicklungsprogramm STARS erweitert, damit es die Wirkung von Magnetfeldern und die Abkühlung Weißer Zwerge berücksichtigt. Die Forscher verfolgten zunächst die Entwicklung magnetisierter Sterne von der wasserstoffbrennenden Hauptreihe bis zum dichten Sternenrest. Anschließend simulierten sie, wie ein Weißer Zwerg zusätzliche Materie von einem Begleitstern aufnimmt.
Damit untersuchten die Wissenschaftler nicht nur einen bereits existierenden schweren Weißen Zwerg, sondern den möglichen Weg zu ihm. Die Berechnungen beschreiben allerdings vereinfachte, annähernd kugelförmige Sterne ohne Rotation und verwenden vorgegebene Modelle für die Verteilung der Magnetfelder.
„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“, sagt Zenia Zuraiq vom Indian Institute of Science (IISc).
In einem der Modelle entstand aus einem Stern mit acht Sonnenmassen zunächst ein Weißer Zwerg aus Kohlenstoff und Sauerstoff mit 1,02 Sonnenmassen. Er nahm anschließend pro Jahr ein Milliardstel einer Sonnenmasse an Materie auf. Mit Magnetfeld erreichte er schließlich eine Modellgrenze von rund 2,4 Sonnenmassen, ohne Magnetfeld dagegen nur etwa 1,4 Sonnenmassen.
Der Grund liegt in der Verdichtung des Sternenrests beim Materiezuwachs. Während der Weiße Zwerg schrumpft, verstärkt sich sein inneres Magnetfeld, das zusätzlich dem enormen Gravitationsdruck entgegenwirkt. Im Modell stieg seine zentrale Feldstärke auf etwa 80 Billionen Gauß. Wie hoch die Massengrenze ausfällt, hängt dabei von Stärke und räumlicher Verteilung des Feldes ab.