Dunkel Sterne - Braune Zwerge

Wenn wir in den Himmel sehen - und die Lichtverschmutzung nicht zu groß ist - dann sehen wir die Sterne am Firmament, alle diese leuchtenden Punkte sind Gasbälle, wie unsere Sonne in deren innerem das Feuer der Kernfusion lodert. Wasserstoffatome verschmelzen im Kern dieser Sterne unter unvorstellbarem Druck und extremer Hitze zu Helium und später zu anderen Elementen.

Dieser Vorgang kann jedoch nur starten, wenn die Ausgangsmasse des Sterns groß genug ist, nämlich 8 % der Masse unserer Sonne oder etwa 75-mal die Masse Jupiters. 
Diese stellaren Körper, die Braunen Zwerge, stellen das Bindeglied zwischen Planeten und Sternen dar und über ihre Existenz wurde in den 1960ern spekuliert und 1988 wurde ein Kandidat im Infrarotbereich entdeckt. GD 165 B war viel zu kalt, um ein Stern zu sein und für beinahe eine Dekade blieb das Objekt ein Einzelfall. Erst mit dem Two Micron All Sky Survey (2MASS) des California Institute of Technology wurden weitere dunkle Sterne entdeckt.
Es ist nicht leicht zwischen einem Braunen Zwerg und einem sehr kleinen Stern zu unterscheiden, der ebenfalls nicht viel Energie abstrahlt oder seine Vorräte an Kernbrennstoff allmählich aufgebraucht hat.

Einen Unterschied gibt es allerdings, der die Zwerge von den Sternen unterscheidet und das ist das Vorkommen von Lithium. Bei der Entstehung von Sternen der zweiten Generation enthalten die Wasserstoffwolken auch schwerere Elemente, die von Supernovae-Explosionen älterer Sterne stammen. Lithium ist eines dieser Elemente. In einem richtigen Stern wird Lithium allerdings ebenfalls in Helium umgewandelt, wenn es mit einem Proton - einem positiv geladenen Kernteilchen - zusammenstößt. Solche Kollisionen passieren bei einer Temperatur, die nur knapp unter der liegt, die für die Kernfusion nötig ist. Findet man im Lichtspektrum eines dunklen Sterns die Spektrallinie von Lithium, dann kann man davon ausgehen, dass es entweder ein sehr junger Stern ist, der noch nicht alles aufgebraucht hat. Oder es handelt sich tatsächlich umeinen Braunen Zwerg, in dem es nie zur Kernfusion kam. 

Auf der anderen Seite versucht man Braune Zwerge auch von den Planeten abzugrenzen und das ist oft gar nicht so einfach. Bei Zwergen mit 60 - 90 Jupitermassen ist Größe und Druck davon abhängig wie sehr das Gas, aus dem der Stern besteht, zusammengedrückt werden kann. Hier kommt die Quantenmechanik ins Spiel, die verhindert, dass zwei Elektronen denselben energetischen Zustand einnehmen können. Es müssen also einige Elektronen in höheren Energieniveaus verbleiben, ob sie wollen oder nicht. Diese tragen mit ihrer Energie zum Druck im Stern bei (diese Elektronen nennt man entartete Elektronen). 

Bei 10 Jupitermassen hingegen ist es der Coulomb-Druck, der die Form bestimmt, also die elektrostatische Abstoßung zwischen geladenen Teilchen - hier die positiv geladenen Ionen, wie es auch in Gasplaneten der Fall ist. 

Ohne Fusion ist die einzige Energie, die so ein Brauner Zwerg abstrahlt, diejenige, die noch vom Kollaps der Gasmassen zu seiner Entstehung übrig ist. Lediglich ab 13 Jupitermassen kann er vielleicht noch Deuterium (schweres Wasser) verschmelzen und eine Zeit lang daraus etwas Energie gewinnen. Aber dann wird der Stern dunkler und dunkler. 

Je nachdem, wie viel Energie ein Brauner Zwerg abstrahlt, ordnet man ihn in einer spektralen Klasse zu. Die Hellsten und Jüngsten können noch unter die M-Klasse fallen und haben eine Oberflächentemperatur von 2100 - 3500 Kelvin (unsere Sonne hat etwa 6000 K und 273,15 K entsprechen 0 °C). Für die noch kühleren Zwerge mussten neue Klassen eingeführt werden. L für Objekte mit 1300 - 2100 K Oberflächentemperatur, das passt auch wegen der Lithiumlinie ganz gut als Name. Braune Zwerge zwischen etwa 600 und 1300 K ordnet man der T-Klasse zu (T für Temperatur) und schließlich hat man die Y-Klasse für Objekte eingeführt, die noch kälter sind. Letztere waren bis vor Kurzem reine Spekulation.

2011 fand man mit Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) einen stellaren Körper, der eine Oberflächentemperatur von nur 25 °C haben soll. Nur mit dem hochempfindlichen Infrarotdetektor dieser NASA-Mission war man überhaupt in der Lage so kalte Objekte zu entdecken. Insgesamt hat WISE von Januar 2010 bis Februar 2011 etwa 100 Braune Zwerge gefunden, nur sechs davon fallen in die Y-Klasse. Und diese astronomischen Objekte sind uns relativ nah, die meisten nicht mehr als 40 Lichtjahre entfernt und der Halter des Kälterekords befindet gerade einmal 9 Lichtjahre weit weg von uns. Da einige dieser Objekte so kalt sind, wäre es durchaus denkbar, dass sich in unserer unmittelbaren Nachbarschaft noch mehr davon verstecken. 

Derartig kalte Sterne können sogar eine Atmosphäre haben. Ein Team der Universität Toronto am Teleskop in Las Campanas, Chile führte Beobachtungen an einem Braunen Zwerg (2MASS 2139) durch und stellte fest, dass seine Helligkeit stark schwankte, um 30 % in weniger als acht Stunden. Da solch ein kleiner Stern keine richtige Oberfläche hat (wie Jupiter) können diese solche Helligkeitsveränderungen - zum Beispiel während einer Umdrehung - nicht erklären. Aber helle und dunkle Bereiche in der Atmosphäre könnten für die Schwankungen verantwortlich sein. Ein gigantischer Sturm in der Atmosphäre des Zwergs könnte die Wolkendecke aufreißen und den Blick auf tiefere und heißere Schichten ermöglichen.

Je nach Temperatur könnte es auf einigen Braunen Zwergen Wolken aus Metallgasen geben und womöglich Regen aus flüssigem Eisen. Und bei kälteren Exemplaren könnte auch Wasser in flüssiger Form oder in Wolken vorkommen. Aber da stehen die Astronomen noch ganz am Anfang und es ist nicht so leicht das Wetter auf einem kleinen Stern zu beobachten, der etwa 40 Lichtjahre entfernt ist.

Als Bindeglied zwischen Planeten und Sternen sind Braune Zwerge eigenwillige Objekte, die sich der eindeutigen Zuordnung entziehen und uns klar machen, dass es nicht immer einfach ist, die richtige Schublade zu finden. Und sie zeigen uns, dass der Kosmos immer noch Überraschungen bereithält und seltsamer ist, als wir manchmal denken.


Kommentare, Fragen und Anmerkungen (Forum)

<

Leider keine Einträge. [sad]

Mehr zum Thema:

The Discovery of Brown Dwarfs

Brown dwarfs: Failed stars, super Jupiters

ASA's Wise Mission Discovers Coolest Class of Stars

Violent Storms Rage on Nearby Brown Dwarf