JWST entdeckt rekordverdächtigen Braunen Zwerg, der so klein ist, dass er sich jeder Erklärung entzieht: ScienceAlert

By | December 14, 2023

Ein neu entdecktes rekordverdächtiges Objekt stellt unser Verständnis der Entstehung von Sternen vor eine Herausforderung.

Es ist ein Brauner Zwerg, der allein im Weltraum sitzt – und mit einer Masse, die nur drei- bis viermal so groß ist wie die von Jupiter, scheint er das masseärmste Objekt seiner Art zu sein, das jemals entdeckt wurde.

Dies wirft einige interessante Probleme auf, nicht zuletzt die Frage, wie es entstanden ist.

„Mit aktuellen Modellen ist es sehr einfach, Riesenplaneten in einer Scheibe um einen Stern zu erschaffen“, sagt die Astronomin Catarina Alves de Oliveira von der Europäischen Weltraumorganisation.

„Aber in diesem Haufen würde sich dieses Objekt wahrscheinlich nicht in einer Scheibe bilden, sondern als Stern, und drei Jupitermassen sind 300-mal kleiner als unsere Sonne. Wir müssen uns also fragen, wie der Prozess der Sternentstehung abläuft.“ so, sehr kleine Massen?“

Das vollständige Bild des Sternhaufens IC 348, in dem der kleine Braune Zwerg entdeckt wurde, aufgenommen mit der NIRCam des JWST. (NASA, ESA, CSA, STScI, K. Luhman/PSU und C. Alves de Oliveira/ESA)

Braune Zwerge werden allgemein als „gescheiterte Sterne“ bezeichnet, was zwar etwas grausam, aber nicht ganz unzutreffend ist. Ein Stern ist ein Objekt, das aus einem dichten Haufen in einer Gas- und Staubwolke im Weltraum entsteht und unter der Schwerkraft kollabiert. Es wächst und wächst, bis es so massiv ist, dass der Druck und die Hitze in seinem Kern in Wasserstofffusion übergehen. Die Mindestmasse hierfür beträgt etwa das 80- bis 85-fache der Jupitermasse.

Ein Brauner Zwerg ist ein Objekt, das sich auf die gleiche Weise bildet, aber nicht genug Masse ansammelt, um die Bedingungen für die Wasserstofffusion zu schaffen. Allerdings ist ein Brauner Zwerg auch kein Planet. Tatsächlich bezieht sich das Braun in ihrem Namen auf die Tatsache, dass sie kleiner als weiße Zwergsterne und größer als nicht helle „dunkle“ Planeten sind.

Ab einer bestimmten kritischen Masse – etwa 13 Jupiter – kann ein Brauner Zwerg Atome verschmelzen, allerdings nicht aus Wasserstoff, sondern aus Atomen seines schwersten Isotops, Deuterium, dessen Druck und Fusionstemperatur niedriger sind als die von Wasserstoff.

Planeten entstehen durch einen anderen Prozess als durch die allmähliche Ansammlung von Material, das nach der Entstehung eines Sterns übrig bleibt. Daher kann etwas, das durch Gravitationskollaps entsteht, aber eine zu geringe Masse hat, um eine Fusion einzuleiten, technisch gesehen immer noch ein Brauner Zwerg werden. Astronomen bezeichnen diese Objekte auf dem Planetenpfad manchmal als sub-braune Zwerge, Braune Zwerge mit Planetenmasse oder Schurkenplaneten.

Ein mit Hubble aufgenommenes und 2013 veröffentlichtes Bild von IC 348. (NASA, ESA, J. Muzerolle/STScI, E. Furlan/NOAO und Caltech, K. Flaherty/UA, Z. Balog/MPIA und R. Gutermuth/UMass)

Ein Team von Astronomen unter der Leitung von Kevin Luhman von der Pennsylvania State University versucht, das kleinste dieser Objekte zu finden.

„Eine grundlegende Frage, die Sie in jedem Astronomiebuch finden, lautet: Was sind die kleinsten Sterne?“ Luhman sagt. „Das ist es, was wir zu beantworten versuchen.“

Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop untersuchten sie das Zentrum eines jungen Sternhaufens namens IC 348 in der Sternentstehungsregion Perseus, etwa 1.000 Lichtjahre entfernt. Subbraune Zwerge sind im Vergleich zu Sternen sehr kühl und dunkel, daher ist ein Infrarotinstrument mit der Empfindlichkeit von JWST erforderlich. Zunächst nutzten sie die Nahinfrarot-NIRCam, um nach Kandidaten zu suchen; dann NIRSpec, der Spektrograph, um sie zu untersuchen.

Sie fanden drei neue Mitglieder von IC 348, die in das Profil passen, mit Massen zwischen drei und acht Jupitern und Temperaturen von 1.100 bis 1.800 Kelvin (827 bis 1.527 Grad Celsius oder 1.520 bis 2.780 Fahrenheit). Der kleinste dieser Kandidaten ist der Rekordhalter mit einer Masse von etwa drei bis vier Jupitern.

Das ist ein echtes Rätsel. Für die Sternentstehung hat eine Wolke viel Masse und daher viel Schwerkraft. Die Produktion von etwas von der Größe eines Planeten würde mit einer kleineren Wolke und daher geringerer Schwerkraft beginnen, was bedeutet, dass der Entstehungsprozess viel mühsamer ist, sagen Forscher.

Die Standorte der drei Braunen-Zwerg-Kandidaten. (NASA, ESA, CSA, STScI, K. Luhman/PSU und C. Alves de Oliveira/ESA)

Es ist möglich, dass es sich bei den Objekten um Exoplaneten handelt, die aus ihren Planetensystemen vertrieben wurden, aber auch das ist unwahrscheinlich. Was die Planeten angeht, sind sie ziemlich groß, aber die meisten Sterne in IC 348 sind sehr klein. Auch die Entstehung großer Planeten um kleine Sterne ist schwer zu erklären. Darüber hinaus ist der Cluster sehr jung. Forscher sagen, dass den Planeten nicht genügend Zeit blieb, sich zu bilden und so weit aus ihren Systemen herausgeschleudert zu werden.

Und das ist auch nicht das einzige Rätsel. Die spektrografische Analyse ergab das Vorhandensein eines nicht identifizierten Kohlenwasserstoffs in zwei der Objekte. Die Signatur dieser unbekannten chemischen Spezies wurde in den Atmosphären von Saturn und Titan im Sonnensystem sowie bei der Drift im interstellaren Raum nachgewiesen, wurde jedoch noch nie zuvor in einer extrasolaren Atmosphäre beobachtet.

Es ist also klar, dass alles, was wir hier sehen, uns etwas Neues und Aufregendes gibt, über das wir nachdenken und etwas über die seltsame Schnittstelle zwischen Sternen und Planeten lernen können.

„Dies ist das erste Mal, dass wir dieses Molekül in der Atmosphäre eines Objekts außerhalb unseres Sonnensystems nachgewiesen haben“, sagt Alves de Oliveira.

„Modelle für die Atmosphäre Brauner Zwerge sagen ihre Existenz nicht voraus. Wir beobachten Objekte mit jüngerem Alter und geringerer Masse als je zuvor, und wir sehen etwas Neues und Unerwartetes.“

Die Forschung wurde veröffentlicht in Das Astronomische Journal.

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