Magnetar

Die stärksten bekannten Magnete – und der Tag, an dem einer quer durch die Galaxis aufblitzte

Schritt für Schritt

Ein Magnet so groß wie eine Stadt

Ein Magnetar ist ein Neutronenstern mit dem stärksten bekannten Magnetfeld. Das von SGR 1806-20 hat etwa 2×10¹⁵ Gauß: viertausend Billionen Mal so viel wie das der Erde.

Ein Neutronenstern ist, was übrig bleibt, wenn der Kern eines massereichen Sterns in sich zusammenstürzt: etwa 1,4 Sonnenmassen in einer Kugel von rund 24 km. Die meisten haben Magnetfelder von etwa einer Billion Mal dem der Erde. Etwa 30 der rund 3.000 bekannten Neutronensterne haben noch hundert- bis tausendmal stärkere. Man nennt sie Magnetare.

SGR 1806-20, etwa 28.000 Lichtjahre entfernt im Schützen, ist einer der stärksten. Sein Feld beträgt etwa 2×10¹⁵ Gauß. Das der Erde hat ein halbes Gauß, ein Kühlschrankmagnet etwa hundert und der stärkste je gebaute Dauermagnet, im US National High Magnetic Field Laboratory, 455.000.

So nah an einem Magnetar werden selbst Atome entlang des Feldes zu dünnen Nadeln gestreckt. Sogar in 1.000 km Entfernung hätte das Feld noch einige Milliarden Gauß, genug, um die Atome jedes Lebewesens zu verformen.

Eine langsame, gebremste Drehung

Die meisten jungen Neutronensterne drehen sich viele Male pro Sekunde. Magnetare drehen sich langsam, alle 2 bis 12 Sekunden einmal, weil ihre riesigen Felder wie Bremsen wirken: Während sich der Stern dreht, schleudert sein Feld geladene Teilchen ins All, und sie tragen seinen Drehschwung davon.

Ein verdrehtes Feld

Im Inneren ist das Feld vermutlich noch stärker und verknäult. Während es sich nach außen arbeitet, verdreht es die Feldlinien über dem Stern und belastet die feste Kruste, in der sie verankert sind.

Die Kruste eines Neutronensterns ist eine feste Schale von etwa einem Kilometer Dicke, ein Gitter aus eisenreichen Atomkernen, weit fester als Stahl. Das Magnetfeld durchzieht sie und ist in ihr verankert.

In Magnetaren ist das Feld im Inneren des Sterns vermutlich noch stärker und verknäult. Über Jahre drängt es langsam nach außen, zerrt an der Kruste und verdreht die Feldlinien, die sich in Bögen über der Oberfläche spannen. Verdrehte Feldlinien führen elektrische Ströme, und die Ströme heizen die Kruste: Magnetare leuchten im Röntgenlicht heller, als ihr Drehverlust bezahlen könnte. Ihr Magnetismus, nicht ihre Drehung, treibt sie an.

Die hier gezeigte Verdrehung ist gezeichnet, um die Idee zu zeigen, so wie die führende Erklärung sie beschreibt (Thompson, Lyutikov und Kulkarni 2002). Das Feld selbst kann niemand sehen.

Sternbeben

Wird die Spannung zu groß, bricht die Kruste. Jedes Sternbeben erschüttert das Feld und sendet einen Ausbruch von Röntgen- und Gammastrahlen aus, der etwa eine Zehntelsekunde dauert.

Magnetare fielen zuerst durch diese Ausbrüche auf. 1979 fingen Satelliten kurze, wiederholte Ausbrüche von Gammastrahlen aus denselben Himmelsgegenden auf, und ihre Quellen wurden Soft Gamma Repeaters genannt: das SGR in SGR 1806-20.

Ein typischer Ausbruch dauert etwa eine Zehntelsekunde und gibt so viel Energie ab wie die Sonne in Tagen bis Monaten, vor allem als Röntgenstrahlung. Erwacht ein Magnetar, kann er über Wochen Hunderte davon abfeuern und dann jahrelang still sein. Die bevorzugte Erklärung: Die Kruste bricht unter der Spannung des Feldes wie der Boden bei einem Erdbeben, und die Feldlinien darüber schnellen in eine neue Form und geben ihre Energie frei.

Der Riss und die Ausbrüche sind gezeichnet, sechsmal verlangsamt.

Der Riesenausbruch

Am 27. Dezember 2004 ließ SGR 1806-20 alles auf einmal los. Eine Fünftelsekunde lang überstrahlte er von der Erde aus gesehen den Vollmond, aus 28.000 Lichtjahren: der hellste Blitz, der je von außerhalb des Sonnensystems gesehen wurde.

Der Riesenausbruch erreichte die Erde um 21:30 UT. Er bestand fast nur aus Gammastrahlen, für das Auge unsichtbar, brachte der Erde aber eine Fünftelsekunde lang mehr Energie als das Licht des Vollmonds (Palmer et al. 2005). Er übersteuerte fast jeden Gammadetektor im All und störte sogar die obere Erdatmosphäre, die Ionosphäre.

Vermutlich kam er, als ein großer Teil des Feldes, jahrelang unter Spannung, brach und auf einmal in eine neue Form schnellte, wobei er eine Wolke aus Materie mit einem guten Teil der Lichtgeschwindigkeit ausstieß.

Der Blitz ist Gammastrahlung, blassviolett gezeichnet, etwa fünfmal verlangsamt.

Ein pulsierender Schweif

Nach dem Blitz leuchtete ein vom Feld festgehaltener Feuerball etwa sechs Minuten lang, heller jedes Mal, wenn die Drehung des Sterns ihn alle 7,56 Sekunden zu uns trug.

Der erste Blitz dauerte eine Fünftelsekunde. Danach kam ein sanfteres Leuchten, das in etwa 380 Sekunden verblasste und alle 7,56 Sekunden an- und abschwoll: im Takt der Drehung des Sterns.

Die Erklärung ist ein gefangener Feuerball: eine Kugel aus Elektronen, Positronen und Gammastrahlen mit Hunderten Millionen Grad, gefangen in den geschlossenen Feldbögen dicht über der Oberfläche. Ihr eigener Druck würde sie im Nu zerreißen; nur ein so starkes Feld kann sie halten. Während sie von außen nach innen abkühlte, verblasste ihr Leuchten, und die Drehung des Sterns schwenkte sie zur Erde hin und wieder weg.

Hier ist der Feuerball auf einer Seite des Sterns gezeichnet; seine wahre Form ist nicht bekannt. Der Schweif läuft etwa viermal schneller ab als damals.

Der Stern klang

Im Schweif flackerte das Röntgenlicht mit festen Frequenzen, 18- bis 1.840-mal pro Sekunde: Die Kruste bebte noch vom Beben nach, wie eine angeschlagene Glocke.

Satelliten, die das Röntgenlicht des Schweifs genau timten, sahen es mit festen Frequenzen flackern: 18, 26, 30, 92, 150, 625 und 1.840 Mal pro Sekunde (Israel et al. 2005; Strohmayer und Watts 2006). Eine ähnliche Reihe war im Riesenausbruch von SGR 1900+14 1998 gefunden worden.

Sie passen zu den Arten, wie sich die Kruste eines Neutronensterns hin und her verdrehen kann, eine Hälfte gegen die andere, so wie Seismologen das Nachschwingen der Erde nach einem Beben lesen, um zu erfahren, was in ihr steckt. Zum ersten Mal ließ sich so das Innere eines Neutronensterns ausloten.

Diese Frequenzen sind Tonhöhen, die wir hören können. Mit Ton erklingen sie hier als Töne; ihre Lautstärke ist gezeichnet. Das Verdrehen der Kruste ist verlangsamt gezeichnet, damit das Auge ihm folgen kann.

Schwere Elemente

Der Ausbruch stieß auch Materie aus. Etwa zehn Minuten später zeigte ein schwaches Gammaleuchten, dass sie frisch entstandene schwere Elemente enthielt: etwa ein Drittel der Erdmasse.

Der Ausbruch stieß eine neutronenreiche Materiewolke mit einem guten Teil der Lichtgeschwindigkeit aus. Beim erneuten Durchsehen der alten Daten fanden Astronomen ein späteres, schwächeres Gammaleuchten, das etwa zehn Minuten nach dem Blitz am hellsten war.

Helligkeit und Zeitverlauf passen zum radioaktiven Zerfall frisch entstandener schwerer Kerne: zum schnellen Neutroneneinfang, dem r-Prozess, der Gold, Platin und Uran erzeugt. Etwa ein Millionstel der Sonnenmasse entstand, ein Drittel der Erdmasse (Patel et al. 2025). Solche Riesenausbrüche könnten ein bis zehn Prozent der schwersten Elemente der Milchstraße erzeugen; das meiste Übrige stammt aus kollidierenden Neutronensternen.

Die Wolke ist als golden leuchtende Schale gezeichnet; ihre wahre Form ist nicht bekannt.

Ein Radioblitz aus unserer Galaxis

Am 28. April 2020 gab ein anderer Magnetar, SGR 1935+2154, einen Röntgenausbruch und einen Blitz aus Radiowellen ab, kürzer als eine Tausendstelsekunde: der erste schnelle Radioblitz, der aus der Milchstraße selbst gesehen wurde.

Schnelle Radioblitze sind Blitze aus Radiowellen von wenigen Tausendstelsekunden, entdeckt 2007. Tausende wurden gesehen, fast alle aus anderen Galaxien, und was sie erzeugt, war ein Rätsel.

Am 28. April 2020 fingen zwei Radioteleskope, CHIME in Kanada und STARE2 in den USA, einen von SGR 1935+2154 auf, etwa 30.000 Lichtjahre entfernt, im selben Moment wie einen Röntgenausbruch von ihm. Er kam als zwei Blitze im Abstand von 29 Tausendstelsekunden. Aus einer anderen Galaxie hätte er wie ein schwacher schneller Radioblitz ausgesehen: Zumindest einige dieser fernen Blitze stammen von Magnetaren.

Radiowellen sind unsichtbar; hier sind sie grün gezeichnet, etwa dreißigmal verlangsamt.

Verblassen

Magnetare sind jung: Ihre Felder nutzen sich in etwa 10.000 Jahren ab. Dann hören die Ausbrüche auf, und der Stern lebt als ruhiger Neutronenstern weiter.

Etwa 30 Magnetare sind bekannt, alle in der Milchstraße oder ihrer Begleiterin, der Großen Magellanschen Wolke. Sie liegen nahe jungen Sternhaufen und Supernova-Überresten, und nur wenige sind älter als einige Tausend Jahre. Einer, im Haufen Westerlund 1 in 16.000 Lichtjahren Entfernung, entstand aus einem Stern von etwa 40 Sonnenmassen.

Während sein Feld zerfällt und seine Verdrehungen abgibt, heizt es den Stern und treibt die Ausbrüche an. Nach etwa zehntausend Jahren bleibt zu wenig übrig, um die Kruste zu brechen. Der Magnetar wird langsamer, kühlt ab und verblasst zu einem der Hunderte Millionen ruhigen Neutronensterne, die vermutlich unsere Galaxis füllen.

Objekte in dieser Geschichte

Neutronenstern