GATE: Warum rotieren Neutronensterne so langsam?

Neugeborene Neutronensterne sollten mehr als tausendmal in der Sekunde rotieren statt "nur", wie beobachtet, zehn- bis hundertmal. Ihr spezifischer Drehimpuls beträgt mit 10¹⁴ cm²/s nur etwa ein Prozent des Wertes, den die Berechnungen der Endphase der Sternentwicklung bei Drehimpulserhaltung ergeben. Für Weiße Zwerge existiert ein ähnlich drastisches Drehimpulsproblem. Neuste spektroskopische Untersuchungen liefern höchstens 10 km/s für die Rotationsgeschwindigkeit ihrer Oberfläche, was für den spezifischen Drehimpuls wieder nur zu einem Bruchteil des erwarteten Wertes führt. Wo sind die fehlenden Größenordnungen geblieben?

Neutronensterne und Weiße Zwerge sind die kompakten Überreste von Sternen nach deren Riesenstadium. Ihre vergleichsweise langsame Rotation zeigt, dass während der Lebenszeit der Sterne der Drehimpuls vom Kern nach außen abtransportiert worden sein muss, was wegen der niedrigen Viskosität des Sterngases mit traditioneller Gasphysik nicht zu verstehen ist. Die Zähigkeit des Sterngases wird allerdings stark erhöht, wenn es von turbulenten Strömungen und Magnetfeldern durchsetzt wird, die von einer geeigneten Instabilität angetrieben werden. Im Sterninneren werden von der ungleichförmigen Sternrotation ständig neue magnetische Ringfelder erzeugt. Theoretische Rechnungen zeigen, dass solche Ringfelder im Sterninneren fragmentieren müssen, wenn sie eine bestimmte Stärke überschreiten. Dieser Effekt ("Tayler-Instabilität") ist bisher weder in der Experimentalphysik bekannt gewesen noch haben Computersimulationen überzeugende Resultate zu seiner Existenz in magnetisierter Sternmaterie liefern können.

Es ist daher in Zusammenarbeit des AIP mit dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf ein Experiment GATE (das bedeutet: "GAllium Tayler Experiment") realisiert worden, mit dem die Stabilität starker Ströme in flüssigen Leitern untersucht wird (Abb. 3). Ein elektrischer Strom fließt durch ein mit Gallium gefülltes Rohr von 10 cm Durchmesser. Die resultierenden Magnetfelder werden vermessen. Bis zu einer Stärke von etwa 2600 Ampere folgen sie dem von der Schulphysik bekannten Gesetz (Abb. 1, links). Stärkere Ströme produzieren dagegen ganz andere, nichtaxialsymmetrische und instabile Strukturen (Abb. 1, rechts). Für zwei unterschiedliche Experimente (ohne und, zum Vergleich, mit einem inneren Zylinder) wurde das Anwachsen der Magnetfeldfluktuationen gemessen und mit den Rechnungen verglichen (Abb. 2, für den Fall ohne inneren Zylinder). Man findet für schwach überkritische Ströme eine sehr gute Übereinstimmung mit den Berechnungen. Für stärkere Ströme zeigen Abweichungen, dass sich das System durch Ausbildung innerer Bewegungen einem neuen, stabileren Zustand zu nähern versucht.