19.01.2005

Kraftfelder um bizarre Schönheiten

Astronomen entdecken zum ersten Mal Magnetfelder in Zentralsternen von Planetarischen Nebeln.


Kraftfelder um bizarre Schönheiten

Astronomen entdecken zum ersten Mal Magnetfelder in Zentralsternen von Planetarischen Nebeln.

Einem Team aus Astronomen von drei deutschen Universitäten ist es erstmals gelungen, Magnetfelder in den Zentralsternen von Planetarischen Nebeln nachzuweisen. Planetarische Nebel sind expandierende Gashüllen, die sonnenähnliche Sterne am Ende ihres Lebens abgestoßen haben. Es ist immer noch ein Rätsel, warum die meisten dieser ästhetisch sehr ansprechenden Nebel nicht einfach kugelförmig sind. Schon lange wurde spekuliert, dass Magnetfelder einen entscheidenden Einfluss auf die Formgebung haben. Simon O'Toole vom Astronomischen Institut der Universität Erlangen-Nürnberg in Bamberg, der Heidelberger Astronom Stefan Jordan und Klaus Werner aus Tübingen haben nun erstmals einen direkten Hinweis darauf gefunden, dass Magnetfelder tatsächlich die Formen dieser bemerkenswerten Gebilde ausprägen können. Die Arbeit ist in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ (A&A) erschienen.

Falschfarbendarstellung eines kreisrunden Planetarischen Nebels (Abell 20) (links) und eines Nebels mit bipolarer Struktur (NBC 2899) (rechts). (Quelle: Dr. Thomas Rauch, Universitäten Erlangen-Nürnberg und Tübingen)

Planetarische Nebel werden von sonnenähnlichen Sternen erzeugt, die am Ende ihres Lebens zu roten Riesensternen geworden sind. In dieser Phase haben die Sterne ihren Durchmesser etwa 100fach vergrößert und ihre äußere Gashülle abgestoßen. Das Gas bewegt sich immer weiter von dem Zentralstern fort. Man glaubt, dass ein Planetarischer Nebel entsteht, wenn ein schneller Materiewind vom Zentralstern die in früheren Phasen abgestoßene, langsam expandierende Gashülle wie ein Schneepflug zusammenschiebt. Die Atome in der so entstandenen Nebelschale werden durch den Zentralstern zum Leuchten angeregt und lassen den Nebel sichtbar werden. Die beobachteten Formen können sehr eigenartig sein. Meist sind sie elliptisch oder bipolar und nicht, wie man erwarten könnte, einfach kugelförmig.

Drei Möglichkeiten wurden bisher diskutiert, um das Aussehen der nicht-kugelförmigen Nebel zu erklären. Erstens könnte der Zentralstern so schnell rotieren, dass durch die Zentrifugalkräfte die Gashülle vorwiegend am Äquator abgestoßen wird. Ein anderer Grund könnten Gravitationskräfte sein, die durch einen engen Begleitstern ausgeübt werden. Die dritte und am häufigsten diskutierte Möglichkeit ist der Einfluss eines Magnetfeldes, das seinen Ursprung im Stern hat.

Magnetfelder können durch den Dynamoeffekt in Sternen erzeugt werden. Voraussetzung dafür ist, dass der Stern nicht wie ein starrer Körper rotiert, sondern mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in unterschiedlichen Tiefen, so wie es bei unserer Sonne der Fall ist. Das Magnetfeld eines Roten Riesen, der einen Planetarischen Nebel abstößt, kann entweder so entstehen oder schon lange Zeit vorher, in der Jugendphase des Sterns, entstanden sein. Solche „fossilen“ Magnetfelder können Jahrmilliarden überleben, da das Sternplasma eine extrem hohe elektrische Leitfähigkeit hat.

Der expandierende Gasnebel kann das Magnetfeld des Sterns erkennbar werden lassen, so wie es Eisenfeilspäne bei einem Hufeisenmagneten tun. Das Gas kann den Stern am einfachsten an den beiden magnetischen Polen verlassen und man kann, wenn die Feldstärke hoch genug ist, auf diese Weise die bipolare Struktur vieler Nebel erklären. Eine schöne Theorie, aber bisher konnten keine Magnetfelder auf Zentralsternen gefunden werden. Einen ersten Hinweis gab es 2002 durch Beobachtungen mit Radioteleskopen von Gas in der Umgebung Roter Riesen, aber der direkte Nachweis von Magnetfeldern, die ihren Ursprung im Stern haben, stand bis heute aus.

Durch Beobachtungen an einem 8m-Teleskop des „Very Large Telescope“ der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile gelang nun bei vier Zentralsternen der Nachweis, dass deren Licht zu 0,1 Prozent polarisiert ist. Damit kann man auf eine Magnetfeldstärke von etwa 1000 Gauß schließen - im Vergleich dazu ist das Erdmagnetfeld mit nur rund 1 Gauß sehr viel schwächer. Die hohe Feldstärke reicht aus, die bipolare Struktur von planetarischen Nebeln zu erklären.

Polarisation ist eine Eigenschaft des Lichtes. Licht ist eine elektromagnetische Welle, bei der die Schwingungen des elektrischen Feldvektors in einer Ebene beliebiger Orientierung ablaufen. Normalerweise ist Licht unpolarisiert, seine Schwingungen haben keine Vorzugsrichtung. Polarisiert wird Licht z. B. durch Reflektion an einer glatten Ebene. Fotografen setzen Polarisationsfilter ein, um solche Reflexionen im Bild zu unterdrücken. Ein Sternmagnetfeld erzwingt die Emission von polarisiertem Licht von strahlenden Atomen in der Sternatmosphäre. Die Untersuchung der polarisierten Strahlung lässt Rückschlüsse auf Stärke und Form des Magnetfeldes zu. Magnetfelder spielen bei der Bildung und Entwicklung vieler astrophysikalischer Objekte eine entscheidende Rolle.

Der Nachweis von Magnetfeldern in den Sternen gelingt über eine im Prinzip seit langem bekannte Methode. Das Licht, das von Atomen in einem Magnetfeld ausgesandt wird, ist polarisiert. Dieser von dem Holländer Pieter Zeeman 1896 entdeckte Effekt wurde 1908 von dem Amerikaner George Hale erstmals ausgenutzt, um das Magnetfeld der Sonne nachzuweisen. Bei Sternen ist der Nachweis ungleich schwieriger. Die Beobachtungen müssen von extrem guter Qualität sein, weil der Polarisationseffekt nur sehr schwach ist. Man braucht dazu die modernsten und größten Teleskope.

Quelle: Uni Erlangen-Nürnberg

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