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Eine neue Stufe der magnetischen Sättigung

25.07.2017

Wissenschaftler entdecken stärkste jemals beobachtete Magnetfelder in massearmen Sternen

Ein internationales Team von Wissenschaftlern unter der Leitung der Universität Göttingen hat unerwartet starke Magnetfelder auf einigen schnell rotierenden M-Zwergen entdeckt. Lange Zeit nahm man an, dass der Dynamo in diesen Sternen bei einer maximalen Magnetfeldstärke von ungefähr vier Kilogauss (kG) saturiert, wenn die Rotation des Sterns eine bestimmte Rate überschreitet.


Roter M-Zwerg.

Foto: Universität Göttingen

Indem sie exakte Beobachtungen und die neuesten Modelle verwendeten, entdeckten die Forscher, dass einige voll konvektive M-Zwerge sogar viel stärkere Magnetfelder von bis zu sieben kG generieren. Sie zeigten, dass Sterne mit starken Magnetfeldern auch die einfachste dipol-dominierte Magnetfeldgeometrie aufweisen, während Sterne mit komplexerer Geometrie keine Felder stärker als ungefähr vier kG produzieren können.

Die Studie beweist erstmals, dass der Dynamo in voll konvektiven M-Zwergen Magnetfelder generiert, die sich nicht nur in der Geometrie großflächiger Komponenten unterscheiden, sondern auch in der magnetischen Gesamtenergie. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.

M-Zwerge sind die zahlreichsten Sterne in unserer Galaxie mit Massen zwischen 0,5 und 0,1 Sonnenmassen. Viele zeigen Oberflächenaktivität ähnlich unserer Sonne und produzieren „flares“, hohe Röntgenflüsse und großflächige Magnetfelder. All diese Phänomene resultieren aus einen Dynamo, der durch Rotation und Konvektion im Inneren der Sterne angetrieben wird.

Die meisten Sterne mit konvektiven Hüllen folgen einer sogenannten Rotation-Aktivitäts-Relation, bei der verschiedene Aktivitätsindikatoren (wie zum Beispiel der Röntgenfluss) bei Sternen mit Rotationsperioden kürzer als einige Tage saturieren. Für Sterne, die langsamer rotieren, verringert sich die Aktivität allmählich.

Man nimmt an, dass durch die enge empirische Korrelation zwischen Röntgenfluss und magnetischem Fluss auch die stellaren Magnetfelder bei Werten um vier kG saturieren. „Stärkere Magnetfelder wurden niemals zuvor in massearmen Sternen beobachtet, was als Beweis für die Magnetfeldsättigung angesehen wurde“, berichtet Dr. Denis Shulyak vom Institut für Astrophysik der Universität Göttingen.

Unter Zuhilfenahme großer Datenmengen aus exakten Beobachtungen und verbesserten analytischen Methoden fanden Forscher das bisher stärkste Magnetfeld von ungefähr sieben kG im M-Zwerg WX UMa und Felder zwischen fünf und sechs KG in drei weiteren Sternen. All diese Werte liegen weit jenseits des bisher angenommenen Sättigungswerts von vier kG.

„WX UMa ist zehnmal kleiner als die Sonne, generiert aber ein durchschnittliches Magnetfeld, das um den Faktor hundert stärker ist“, sagt Prof. Dr. Ansgar Reiners vom Institut für Astrophysik der Universität Göttingen. „Das kommt daher, dass WX UMa ungefähr dreißigmal schneller rotiert als die Sonne und seine voll konvektive Hülle eine große Menge an kinetischer Energie liefert. Diese beiden Faktoren sind notwendig für einen effizienten Dynamo. Schnell rotierende M-Zwerge sind daher sehr aktiv, und nun wissen wir, dass einige von ihnen viel stärkere Magnetfelder produzieren als wir dachten“.

Die Forscher fanden außerdem eine Verbindung zwischen Stärke und Geometrie von Oberflächenmagnetfeldern. Sterne mit den stärksten Magnetfeldern haben einfache dipol-dominierte Felder, während Sterne mit komplexer multipol-dominierter Magnetfeldgeometrie keine Felder stärker als vier kG generieren. „Das allein ist ein sehr interessantes Ergebnis, weil es uns sagt, dass der Dynamo in voll konvektiven M-Zwergen Magnetfelder produziert, die sich nicht nur in der Geometrie ihrer großflächigen Komponenten – welche bereits aus früheren Studien bekannt ist – unterscheiden, sondern auch in ihrer magnetischen Gesamtenergie“, berichtet Shulyak.

„Zusätzlich beobachten wir, dass die Dynamo-Prozesse sich unterschiedlich in Bezug auf die Rotationsrate dieser Sterne verhalten. Sterne mit Multipol-Geometrie saturieren bei Perioden von weniger als vier Tagen mit einer gesättigten Magnetfeldstärke von ungefähr vier kG, während einige Sterne mit Dipol-Geometrie Oberflächenfelder aufweisen, die eindeutig stärker sind und keinen offensichtlichen Sättigungseffekt zeigen. Allerdings sind zusätzliche Beobachtungen notwendig und wir hoffen, diese Frage in zukünftigen Studien ansprechen zu können. Dennoch liefern unsere Ergebnisse bereits jetzt wichtige Beschränkungen und Herausforderungen für existierende Dynamo-Modelle.“

Originalveröffentlichung: Denis Shulyak et al. Strong dipole magnetic fields in fast rotating fully convective stars. Nature Astronomy 2017. DOI: 10.1038/s41550-017-0184.

Kontakt:
Dr. Denis Shulyak
Georg-August-Universität Göttingen
Fakultät für Physik – Institut für Astrophysik
Telefon (0551) 39-5055
E-Mail: denis@astro.physik.uni-goettingen.de

Prof. Dr. Ansgar Reiners
Georg-August-Universität Göttingen
Fakultät für Physik – Institut für Astrophysik
Telefon (0551) 39-13825
E-Mail: ansgar.reiners@physik.uni-goettingen.de

Weitere Informationen:

http://www.uni-goettingen.de/admin/presse/action.php?mode=change&id=5882 Fotos
http://www.astro.physik.uni-goettingen.de/~areiners/AR/AR.htm Arbeitsgruppe

Thomas Richter | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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