Kosmische Fehlzünder

Eine finstere gegend: Zwischen dem Polarstern, dem Großen Wagen und der Kassiopeia gibt es keinen einzigen hellen Fixstern. Lange war das Gebiet keinem Sternbild zugeordnet, in heutigen Himmelskarten findet man dort nur die kaum bekannte „Giraffe“. Doch langweilig ist diese Ödnis keineswegs. Astronomen haben in der Giraffe kürzlich einen Mini-Stern aufgespürt, der sie in Aufregung versetzt. Sein provisorischer Name: WISEPC J0458+64. Genau genommen handelt es sich gar nicht um einen echten Stern, sondern um einen Grenzgänger zwischen Stern und Planet – einen Braunen Zwerg.

Für die vollwertige Mitgliedschaft im Club der Sterne fehlt den Braunen Zwergen die entscheidende Voraussetzung: die Verschmelzung von Wasserstoff-Atomen im Zentrum. Vollmitglieder, etwa die Sonne, erzeugen ihre Energie auf diese Weise. Um dauerhaft ein solches Wasserstoff-Brennen in Gang zu halten, müssen Sterne mindestens 7,5 Prozent der Sonnenmasse auf die Waage bringen. Braune Zwerge sind für diese Kernfusion zu leicht. Immerhin schaffen sie es, eine andere Energiequelle anzuzapfen: Deuterium. Dieser sogenannte schwere Wasserstoff lässt sich zwar relativ leicht per Kernfusion in Helium verschmelzen, doch seine Vorräte sind schnell verbraucht. Nach einer kurzen Phase des Deuterium-Brennens kühlen Braune Zwergsterne deshalb immer weiter ab, bis sie mehr und mehr Gasplaneten ähneln.

KÜHLE STINKER

Ein Ziel der Astronomen ist momentan, die kühlsten Braunen Zwerge aufzuspüren. Seit Januar 2010 helfen dabei die Daten von WISE, dem Wide-field Infrared Survey Explorer. Der NASA-Satellit umkreist die Erde in 525 Kilometer Höhe und fotografiert den Himmel im Spektralbereich der Infrarotstrahlung. Die Braunen Zwerge geben zwar fast kein sichtbares Licht ab, in den größeren Wellenlängen des Infraroten leuchten sie aber vergleichsweise hell. WISE hat bereits den gesamten Himmel abgelichtet und seine Mission kürzlich abgeschlossen. Im vergangenen November stellte das WISE-Team seinen ersten Braunen Zwerg vor: WISEPC J0458+64. Amy Mainzer, Astrophysikerin vom Jet Propulsion Laboratory im kalifornischen Pasadena, bestimmte seine Temperatur auf etwa 330 Grad Celsius. Damit ist der gescheiterte Stern in der Giraffe deutlich kühler als die Venus. Seine Gashülle enthält unter anderem Methan und Schwefelwasserstoff. Die Kalifornierin rümpft die Nase beim Gedanken an den Zwergengeruch – „ein übler Gestank nach faulen Eiern mit einem Hauch von Ammoniak“. Bislang rätseln die Forscher noch über die genaue Distanz des Winzlings. Mit 18 bis 30 Lichtjahren Abstand dürfte er zu den Nachbarn der Sonne gehören. Dutzende weiterer Brauner Zwerge hat WISE laut Mainzer schon entdeckt.

Warum interessieren sich die Wissenschaftler für die seltsamen Stinker? „Aus ihrem Studium kann man viel lernen – über die Entstehung der Sterne und auch über deren planetare Begleiter“, sagt Viki Joergens. Die Astronomin residiert auf dem Königstuhl, dem fast 600 Meter hohen Hausberg von Heidelberg. Ganz oben, im abgelegenen Max-Planck-Institut für Astronomie, sucht sie nach Begleitern Brauner Zwerge. Denn wie ihre großen stellaren Geschwister sind auch manche Braune Zwerge Bestandteile von Mehrfachsystemen.

DIE COOLSTEN STERNE

Zwei Baby-Zwerge aus der Region Chamaeleon 1, wo immer noch Sterne entstehen, hat Joergens besonders genau vermessen. „Die beiden sind nur etwa drei Millionen Jahre alt, das ist extrem jung“, sagt die Astronomin. Bei ihren Messungen setzt sie auf ein indirektes Beobachtungsverfahren, die Radialgeschwindigkeitsmethode. Dabei werden periodische Verschiebungen im Spektrum der Himmelsobjekte registriert. Die meisten Planeten ferner Sonnen wurden auf diese Weise aufgespürt (bild der wissenschaft 7/2010, „Extrem, exotisch … Exoplaneten“). Die Erforschung von Exoplaneten und Braunen Zwergen ist mehrfach miteinander verknüpft. Die Bekanntgabe der ersten Exemplare aus beiden Kategorien fand sogar auf derselben Konferenz statt. Das war 1995. 20 Jahre zuvor hatte die prominente US-Astronomin Jill Tarter (siehe Kurzporträt rechts) die stellaren Fehlzünder „ Braune Zwerge“ getauft. Theoretiker hatten zwar schon Jahrzehnte zuvor über solche Objekte spekuliert. Doch die Jagd nach den Braunen Zwergen war erst später richtig in Fahrt gekommen. Heute sind knapp 1000 davon bekannt.

Ihre wachsende Zahl sprengte bald die althergebrachte Ordnung. Denn die Astronomen hatten die Sterne bisher nach klassischen Spektraltypen sortiert, die mit sieben Großbuchstaben bezeichnet werden: O, B, A, F, G, K, M. Diese Typen spiegeln die Farbe und die Oberflächentemperatur wider. Beispielsweise ist unsere gelb leuchtende Sonne mit ihren 5500 Grad Celsius vom Typ G. Die kühlsten und masseärmsten bekannten Sterne waren bis dato die Roten Zwerge vom M-Typ. Auch einige Braune Zwerge, von denen die meisten besonders jung sind, tummeln sich in dieser Spektralklassen-Gruppe.

Schon die ersten Funde passten nicht in die etablierte O-bis-M-Reihe. Der Astronom Davy Kirkpatrick vom California Institute of Technology forderte deshalb weitere Spektraltypen für die Neuzugänge. Die Klassifikation wurde fortgesetzt – nach M wurde L eingeführt und dann T. Die Temperatur von L-Zwergen rangiert zwischen 1000 und 1800 Grad. Zwar fallen auch einzelne sehr leichte Sterne in diese Kategorie. Sobald L-Zwerge aber die 7,5-Prozent-Massegrenze unterschreiten, gelten sie als „ substellare Objekte“, also als Braune Zwerge.

EISENHALTIGER REGEN

Auf solchen L-Zwergen gibt es bizarre „Wetterphänomene“. Bei deren Entschlüsselung sind die Astronomen bislang auf chemische Computermodelle angewiesen. Die Resultate dieser Rechnungen lassen einen Hexenkessel vermuten: Körner aus Hochtemperatur-Mineralien treiben als Wolken aus heißem Dreck durch die Gashüllen der L-Zwerge. Und es regnet Eisen in flüssiger Form oder als feste Partikel. Der direkte Nachweis solcher Wetterkapriolen sei sehr schwierig, erklärt Adam Burgasser von der University of California. Immerhin konnten in L-Zwergen bereits bestimmte Silikate spektroskopisch identifiziert werden, die man von Kometen her kennt.

Noch kühler als L-Zwerge sind Sterne vom T-Typ. Rund 200 davon sind bereits bekannt. Sie lassen sich nur im Infraroten beobachten, und ihre Spektren zeugen von Methan in ihren Gashüllen. 2010 publizierte Burgasser mit seinen Kollegen wichtige Erkenntnisse im Astrophysical Journal. Es geht um einen T-Zwerg namens Ross 458C. Rund 36 Lichtjahre von der Erde entfernt umkreist er zwei leichtgewichtige M-Sterne. Die Analyse ergab, dass er vergleichsweise jung ist, Burgasser schätzt ihn auf 150 bis 800 Millionen Jahre. Zum Vergleich: Die Sonne ist 4,57 Milliarden Jahre alt.

Ross 458C glimmt nur sehr schwach. Seine Leuchtkraft entspricht lediglich 0,00025 Prozent des Sonnenwerts. Zudem trüben Streueffekte seine Infrarotstrahlung. Die Forscher deuten das als indirekten Hinweis auf Wolken in seiner Atmosphäre. Das überrascht, denn eine Bewölkung war zuvor bei keinem T-Zwerg beobachtet worden. Noch eine weitere Eigenschaft macht das Objekt zum Unikum: Ross 458C und seine Zentralsterne trennt ein gewaltiger Abstand – mehr als die 30-fache Distanz zwischen Sonne und Neptun.

Für beträchtliche Verwirrung sorgt eine andere Eigenschaft: „ Die Masse von Ross 458C liegt nahe am Grenzwert, bei dem ein Deuterium-Brennen überhaupt erst einsetzten kann – oder sogar darunter“, erklärt Burgasser. Um die Deuterium-Fusion zu zünden, braucht ein Himmelskörper eine kritische Mindestmasse: Sie muss rund 14 Mal so groß sein wie die Masse von Jupiter. Leichtere Himmelskörper werden üblicherweise als Gasplaneten eingruppiert und nicht als Braune Zwerge. Doch Burgasser hat Zweifel an der Planetennatur von Ross 458C. Planeten, so die gängige Vorstellung, entstehen in Scheiben aus Gas und Staub um ihre Zentralsterne. Dazu kreist der Sonderling jedoch viel zu weit entfernt. „Es ist schwer vorstellbar, wie ein Planet in diese Entfernung von seinem Zentralkörper gelangt sein soll“, sagt Burgasser. Ist Ross 458C also trotz seiner geringen Masse ein Brauner Zwerg?

Thomas Henning geht davon aus. Der Experte für Sternentstehung am Max-Planck-Institut für Astronomie auf dem Heidelberger Königstuhl war an der Entdeckung von Ross 458C beteiligt. Einiges deute zwar darauf hin, räumt er ein, dass sein Fund keine 14 Jupitermassen auf die Waage bringt. Trotzdem möchte auch er ihn lieber als Braunen Zwerg einstufen. „Ross 458C scheint eher durch den Kollaps einer interstellaren Wolke entstanden zu sein, wurde also wohl ähnlich wie ein Stern geboren.“ Andererseits kann Henning nicht ausschließen, dass Ross 458C aus der Nähe seines zentralen Doppelsystems herauskatapultiert wurde – „dann sollte man ihn einen Exoplaneten nennen“. Ross 458C ist nicht das einzige zwitterhafte Himmelsobjekt zwischen Exoplaneten und Braunen Zwergen, das die Astronomen in den vergangenen Jahren aufgespürt haben, betont Henning. „Die Grenze, durch die sich beide Kategorien früher unterscheiden ließen, wurde verwischt.“ Ohne weitere Objekte wie Ross 458C zu studieren, dürfte es schwer sein, den Grenzgänger zu klassifizieren. Die Forscher suchen noch nach Indizien, wie der Geburtsprozess der Braunen Zwerge abläuft. Dabei setzen sie auf die Erforschung sehr junger Exemplare.

Seit zehn Jahren beobachtet Viki Joergens zwei Baby-Zwerge namens Cha Ha 8 im Sternbild Chamaeleon. Von Heidelberg aus sind die beiden zwar unsichtbar, denn das Sternbild liegt in der Nähe des südlichen Himmelspols. Doch die Riesenspiegel der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile haben einen freien Blick auf die Sternenwiege. Die Forscherin muss ihr Büro nicht verlassen, um in Chile die Fernrohre zu bedienen. „Das geht im Service-Modus“, sagt sie. „Alle wichtigen Informationen für die Beobachtung werden in einer Datei gespeichert und per Internet zur ESO geschickt.“ Auf demselben Weg erreichen die Resultate ihren Schreibtisch, bei größeren Datenmengen als DVD.

Die geduldigen Messungen haben dem Zwergen-Duo einige Geheimnisse entlockt. Joergens weiß, dass beide in gut fünf Jahren eine Runde um ihren gemeinsamen Schwerpunkt drehen, und zwar auf elliptischen Umlaufbahnen. Sehr wahrscheinlich ist das Geburtsgewicht des Leichteren gering genug, um ihn als Braunen Zwerg einzustufen. Der Schwerere könnte auch ein sehr massearmer Stern sein. Weitere Beobachtungen werden das entscheiden.

TAUSEND IN DER PIPELINE

Zusammen mit Kollegen hat Joergens herausgefunden, dass enge Doppelsysteme wie Cha Ha 8 selten sind. Ihre geringe Zahl erinnert an denselben Trend, den Astronomen bei massearmen Sternen beobachtet haben. Joergens: „Das ist ein Indiz für einen ähnlichen Geburtsprozess wie bei den Sternen.“ Aber es ist noch kein Beweis. Deshalb freuen sich die Forscher über die neuen Daten des WISE-Satelliten, die ihnen helfen können, die mysteriösen Geburtsvorgänge der Braunen Zwerge zu enträtseln. Experten erwarten, noch bis zu 1000 Braune Zwerge dank WISE aufzustöbern.

Jüngst entdeckte ein Team um Kevin Luhman von der Pennsylvania State University mit dem Weltraumteleskop Spitzer einen extrem kühlen Begleiter eines Weißen Zwergs. Sollte das Objekt tatsächlich ein Brauner Zwerg sein, wäre er der coolste überhaupt: Er hätte gerade mal Zimmertemperatur. ■

THORSTEN DAMBECK, promovierter Physiker, schreibt regelmäßig für bdw. Im April-Heft berichtete er über die schnells-ten Sterne der Milchstraße.

von Thorsten Dambeck