Dynamical stability of Magnetic Supramassive Neutron Stars

Neutronensterne sind die dichtesten Objekte im Universum, die kollabierten Kerne massiver Sterne, die explodiert sind. Ein einziger Teelöffel ihres Materials würde so viel wiegen wie ein Berg. Diese kosmischen Überreste rotieren unglaublich schnell, manchmal hunderte Male pro Sekunde, und viele sind von Magnetfeldern durchzogen, die so stark sind, dass sie eine Kreditkarte aus der Mitte des Sonnensystems löschen könnten. Wenn zwei Neutronensterne kollidieren, können sie zu einem einzigen, noch massiveren Objekt verschmelzen. Wenn dieser neue Stern schwer genug ist, um unter seiner eigenen Schwerkraft zu kollabieren, aber durch seinen schnellen Spin aufrechterhalten wird, nennt man ihn einen supramassiven Neutronenstern. Diese Objekte sind flüchtig und instabil; sie existieren in einem prekären Gleichgewicht zwischen der erdrückenden Kraft der Gravitation und dem nach außen gerichteten Druck der Rotation. Zu verstehen, wie sich diese Sterne verhalten, insbesondere wenn ihre Magnetfelder am extremsten sind, hilft Astronomen, die gewaltsamen Signale zu entschlüsseln, die sie über den Kosmos senden, von den Kräuselungen in der Raumzeit bis hin zu den Blitzen hochenergetischen Lichts.

Ein Forschungsteam hat nun leistungsstarke Supercomputer eingesetzt, um zu simulieren, was passiert, wenn diese supramassiven Sterne Magnetfeldern ausgesetzt werden, die so stark sind wie einhundert Billiarden Gauss. Um dies zu tun, bauten sie digitale Modelle dieser Sterne unter Verwendung der physikalischen Gesetze, die Raum, Zeit und Materie regeln, und beobachteten dann, wie sie sich im Laufe der Zeit entwickelten. Sie begannen mit Sternen, die nahe an dem Limit rotieren, das möglich ist, bevor sie auseinanderfliegen würden, und injizierten ihnen Magnetfelder, die von der Stärke eines typischen Magnetars bis hin zu den extremen Feldern reichen, die unmittelbar nach einer stellaren Kollision erwartet werden. Das Ziel war es zu sehen, ob diese Magnetkräfte den Sternen helfen würden, länger zu überleben, oder ob sie sie über die Kante in einen katastrophalen Kollaps treiben würden.

Die Simulationen zeigten, dass die Magnetfelder in diesen Sternen nicht statisch sind; sie sind chaotisch und ständig im Wandel. Zu Beginn waren die Magnetfelder in einem einfachen, geordneten Muster angelegt, aber diese Anordnung ist instabil. Innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde begannen die Felder sich zu verheddern und zu verdrehen, wobei sie sich selbst zu einer komplexen Mischung aus Schleifen und Spiralen reorganisierten. Dieser Prozess geschieht so schnell, dass er schneller ist als die Zeit, die der Stern benötigt, um eine einzige Rotation zu vollenden. Während sich die Magnetfelder verdrehten, wirkten sie wie eine kosmische Bremse, indem sie den schnell rotierenden Kern des Sterns packten und ihn abbremsten, während sie gleichzeitig die äußeren Schichten beschleunigten. Dies erzeugte einen Zustand, in dem das Zentrum des Sterns viel langsamer rotierte als die Oberfläche, ein Zustand, der als differenzielle Rotation bekannt ist.

Für Sterne, die nicht schwer genug waren, um sofort zu kollabieren, führte dieses magnetische Umstrukturieren zu einem neuen, stabilen Zustand. Der Stern brach nicht auseinander, noch kollabierte er zu einem Schwarzen Loch. Stattdessen pendelte er sich in einer langlebigen Konfiguration ein, in der der Kern und die Oberfläche mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotierten, gehalten durch die magnetischen Spannungen. Für die Sterne jedoch, die bereits am Rande des Kollapses standen, wirkten die Magnetkräfte als der endgültige Auslöser. Indem sie den Drehimpuls vom Kern wegzogen, entfernten die Magnetfelder die Unterstützung, die den Kern daran hinderte, in sich zusammenzustürzen. Dies verursachte, dass der Kern schrumpfte und der Stern viel schneller als ohne den magnetischen Einfluss in ein Schwarzes Loch kollabierte.

Als diese Sterne kollabierten, waren die resultierenden Schwarzen Löcher überraschenderweise anders, als man es erwarten würde. Obwohl die Schwarzen Löcher schneller rotierten als die ursprünglichen Sterne – einige rotierten fast fünfzig Prozent schneller – besaßen sie tatsächlich weniger Gesamtrotationsenergie. Dies liegt daran, dass der gewaltsame Kollaps und die Magnetfelder eine beträchtliche Menge an Materie aus dem Stern ausgestoßen haben, bevor dieser verschwand. Dieses ausgestoßene Material, das einen Teil des Drehimpulses des Sterns mit sich führte, verhinderte, dass diese Energie von dem neuen Schwarzen Loch absorbiert wurde. Die Simulationen zeigten, dass dieses ausgestoßene Material Winde bildete, die primlich um den Äquator des Sterns herausströmten und Materie mit Raten von bis zu einigen Sonnenmassen pro Sekunde abtrugen, obwohl die gesamte Menge, die über die simulierte Zeit verloren ging, ein winziger Bruchteil des Gesamtgewichts des Sterns war, in der Größenordnung von 10⁻³ Sonnenmassen.

Die Studie hob auch einen entscheidenden Unterschied zwischen Sternen mit schwächeren Magnetfeldern und jenen mit den extremen Feldern hervor, die in den gewaltigsten kosmischen Ereignissen vorkommen. In Sternen mit schwächeren Feldern waren die Magnetkräfte zu langsam, um die Rotation des Sterns signifikant zu stören, was es dem Magnetfeld ermöglichte, über die Zeit stärker zu werden, ohne einen sofortigen Kollaps zu verursachen. Im Gegensatz dazu erfuhren die Sterne mit den stärksten Magnetfeldern eine schnelle und turbulente Reorganisation, die sie entweder in einem neuen Zustand stabilisierte oder ihren Untergang beschleunigte. Die Forscher fanden heraus, dass das Schicksal dieser Sterne von einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen ihrer Rotationsgeschwindigkeit, ihrer Dichte und der Stärke ihrer Magnetfelder abhängt. Wenn das Magnetfeld stark genug ist und der Stern nahe an seiner maximalen Massengrenze liegt, können die Magnetkräfte das Blatt wenden und einen stabilen Stern in einem Augenblick in ein Schwarzes Loch verwandeln.

Diese Erkenntnisse bieten eine neue Perspektive auf den Lebenszyklus von Neutronensternen und die Folgen ihrer Kollisionen. Sie legen nahe, dass die Magnetfelder in diesen Objekten nicht nur passive Merkmale sind, sondern aktive Akteure, die die Struktur des Sterns verändern, seinen Spin beeinflussen und bestimmen können, ob er überlebt oder stirbt. Die Simulationen liefern auch eine potenzielle Erklärung für bestimmte Arten von hellen, langanhaltenden Energieblitzen, die im Universum beobachtet werden, welche möglicherweise von diesen neu gebildeten, differenziell rotierenden Sternen gespeist werden, bevor sie schließlich kollabieren. Obwohl die in dieser Studie verwendeten Computermodelle auf die ersten Momente im Leben des Sterns beschränkt sind, bieten sie einen entscheidenden Einblick in das komplexe Zusammenspiel der Kräfte, die die extremsten Umgebungen im Universum beherrschen. Die Arbeit unterstreicht, dass Magnetfelder selbst im Vakuum des Weltraums mächtig genug sein können, um das Schicksal eines Sterns neu zu schreiben.