Einem Team von Astronomen der Universitäten Heidelberg, Tübingen und Erlangen-Nürnberg ist es erstmals gelungen, Magnetfelder in Zentralsternen Planetarischer Nebel nachzuweisen. Planetarische Nebel sind expandierende Gashüllen, die übrig bleiben, nachdem sonnenähnliche Sterne am Ende ihres Lebens ihre äußere Hülle abgestoßen haben.
Es ist ein immer noch ungelöstes Rätsel, warum die meisten dieser oft sehr ästhetisch aussehenden Nebel nicht einfach kugelförmig sind. Schon lange wurde spekuliert, dass Magnetfelder einen entscheidenden Einfluss auf die Formgebung der Nebel haben. Das Team unter der Leitung von Stefan Jordan hat nun erstmals einen direkten Hinweis darauf gefunden, dass Magnetfelder tatsächlich die Formen dieser bemerkenswerten Gebilde ausprägen können.
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 100-fach vergrößert und stoßen am Ende dieses Stadiums ihre äußere Gashülle ab. Das Gas bewegt sich immer weiter von dem übrig gebliebenen Zentralstern fort, der später zu einem weißen Zwerg wird, sobald seine nuklearen Energiequellen versiegt sind.
Materiewind schiebt Sternhülle zusammen
Die Astronomen glauben, dass ein Planetarischer Nebel entsteht, wenn ein schneller Materiewind vom Zentralstern die in früheren Phasen abgestoßene, langsam expandierende Sternhülle wie ein Schneepflug zusammenschiebt. Die Atome in der so entstandenen Nebelschale können durch den Zentralstern zum Leuchten angeregt werden und lassen so den Nebel für uns sichtbar werden. Die beobachteten Formen können sehr eigenartig sein. Mehr als 80 Prozent von ihnen haben elliptisches oder bipolares Aussehen und sind nicht, wie man erwarten könnte, einfach kugelförmig. In jedem Fall gehören Planetarische Nebel zu den ästhetisch schönsten astronomischen Gebilden, die wir beobachten können.
Der Grund dafür, warum viele Planetarische Nebel diese Formen haben, ist unklar. Drei Möglichkeiten wurden bisher diskutiert. Erstens ist es möglich, dass der Zentralstern so schnell rotiert, dass durch Zentrifugalkräfte die Gashülle vorwiegend am Äquator abgestoßen wird.
Ein anderer Grund für die Symmetriebrechung 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.
Dynamoeffekt in den Sternen
Magnetfelder können durch den Dynamoeffekt in den Sternen selbst erzeugt werden. Voraussetzung dafür ist, dass ein 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 durch diesen Dynamoeffekt entstehen bzw. auch schon lange Zeit vorher in der Jugendphase des Sterns entstanden sein.
Solche „fossilen“ Magnetfelder können über Jahrmilliarden überleben, da das Sternplasma eine extrem hohe elektrische Leitfähigkeit hat.
Das expandierende Gas des Planetarischen Nebels kann das Magnetfeld des Sterns erkennbar werden lassen, so wie es Eisenfeilspäne bei einem Hufeisenmagneten tun können. 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 Riesensterne, aber der direkte Nachweis von Magnetfeldern, die ihren Ursprung im Stern haben, stand bis heute aus.
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.
Beobachtungen an der Europäischen Südsternwarte
Durch Beobachtungen an einem 8m-Teleskop des „Very Large Telescope“ der Europäischen Südsternwarte in Chile gelang nun im Fall von 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 hat das globale Magnetfeld der Sonne eine Stärke von nur rund einem Gauß, nur in Sonnenflecken können ähnlich hohe Werte erreicht werden. Diese Feldstärke reicht aus, die bipolare Struktur von planetarischen Nebeln zu erklären. Kugelförmige Nebel sollten deshalb Zentralsterne ohne Magnetfelder haben. Entsprechende Beobachtungen zur Überprüfung dieser Hypothese sind für die nächste Zukunft geplant.
Die Wissenschaftler berichten über ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift „Astronomy & Astrophysics“.
(idw – Universität Heidelberg, 05.01.2005 – DLO)
