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Astronomie+Physik

Gasriesen und Braune Zwerge entstehen unterschiedlich

Gasriese
Gasriese oder Brauner Zwerg? (Bild: dottedhippo/ iStock)

Großer Gasplanet oder „gescheiterter“ Stern? Diese Frage ist bei einigen massereichen Himmelskörpern schwer zu beantworten. Denn in vielen Merkmalen ähneln sich Gasriesen und Braune Zwerge sehr – und beide können Sterne als leichtere Partner umkreisen. Doch jetzt könnten Astronomen ein Unterscheidungsmerkmal gefunden haben: Die Umlaufbahn von Braunen Zwergen ist im Schnitt deutlich exzentrischer als die von Gasriesen, wie Beobachtungsdaten zeigen. Das wiederum deutet darauf hin, dass diese beiden Arten von Himmelskörpern auch auf unterschiedliche Weise entstehen.

Gängiger Hypothese nach können Planeten auf zwei Wegen entstehen: Entweder sie wachsen allmählich in einer großen Scheibe aus Staub und Gas heran, die einen jungen Stern umkreist. Durch diese Akkretion bildeten sich die Erde und die meisten anderen Planeten unseres Sonnensystems. Theoretisch könnten sehr massereiche Gasplaneten aber auch ähnlich wie Sterne entstehen, indem lokal instabile Stellen der Urwolke in sich zusammenfallen und sich zu einem Materieklumpen verdichten. Diese Planetenbildung durch gravitative Instabilität funktioniert allerdings nur in relativ massereichen, kühlen protoplanetaren Scheiben. Welche Gasriesen tatsächlich durch diesen Prozess entstanden sind, ist bislang strittig.

Gasplanet oder Brauner Zwerg?

„Eine der übergeordneten Motivationen für die Beobachtung von Exoplaneten ist es daher, die dominanten Wege zu bestimmen, durch die Gasriesen und Braune Zwerge entstehen und sich weiterentwickeln“, erklären Brendan Bowler von der University of Texas in Austin und seine Kollegen. Dies gelte besonders für Himmelskörper, die ihren Stern in sehr weitem Abstand von mehr als hundert astronomischen Einheiten umkreisen. Denn bei ihnen ist oft weder klar, wie sie gebildet wurden, noch, ob es sich um sehr große Gasplaneten oder aber um Braune Zwerge handelt – „gescheiterte“ Sterne, deren Masse nicht zur Zündung der Kernfusion in ihrem Inneren reichte. Gängiger Annahme nach sind Braune Zwerge mit mehr als 15 Jupitermassen deutlich schwerer als Gasriesen. Wenn sie Begleiter normaler Sterne sind, müssten sie zudem wie Doppelsterne entstehen: Nicht durch den lokalen Kollaps in der protoplanetaren Scheibe des Sterns, sondern in einer eigenen Gaswolke.

Doch wie lässt sich dies unterscheiden, wenn man die Himmelskörper nicht gerade bei ihrer Entstehung „ertappt“? Dafür haben Bowler und sein Team nun eine mögliche Lösung gefunden. „Eine Möglichkeit, das zu erfahren, ist es, die Dynamik solcher Systeme zu untersuchen – indem man sich ihre Umlaufbahnen anschaut“, erklärt Bowler. Denn wenn ein Himmelskörper in der Akkretionsscheibe um einen Stern entstanden ist, müsste er diesen in einem eher kreisförmigen Orbit umkreisen. Stammt das Objekt dagegen aus seiner eigenen kleinen Gaswolke, sind sehr viel exzentrischere Orbits möglich. „Selbst wenn solche Himmelskörper Millionen Jahre alt sind, müsste daher die Erinnerung an ihren Entstehungsweg noch immer in ihrer Exzentrizität erhalten sein“, erklärt Co-Autor Eric Nielsen von der Stanford University.

Orbit-Exzentrizität
Orbit-Exzentrizität bei Gasriesen und Braunen Zwergen. (Bild: Brendan Bowler/ UT Austin)

Klare Unterschiede

Um diese Annahme zu überprüfen, haben die Astronomen nun die orbitalen Parameter von 27 weit von ihrem Stern entfernten Gasriesen und Braunen Zwergen näher untersucht. Weil diese Himmelskörper teilweise Jahrhunderte für einen Umlauf benötigen, nutzten sie ein astrophysikalisches Modell, um aus wenigen Positionsdaten den gesamten Orbit und dessen Form zu rekonstruieren. „Statt Jahrzehnte oder Jahrhunderte zu warten können wir so die kurzen Beobachtungsintervalle ausgleichen“, erklärt Nielsen. Die Auswertungen ergaben, dass es tatsächlich einen Unterschied zwischen Gasriesen und Braunen Zwergen gibt. „Die Objekte, die wir als Planeten ansehen, neigen in der Tat zu kreisförmigeren Umlaufbahnen“, berichtet Bowler. Die mehr als 15 Jupitermassen schweren Braunen Zwerge dagegen bewegen sich vorwiegend auf exzentrischen Bahnen – ähnlich wie die leichteren Partner in normalen Doppelsternsystemen.

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Nach Ansicht der Astronomen bestätigt dies, dass Gasriesen selbst bei großem Abstand zu ihrem Stern wahrscheinlich wie Planeten entstehen: in der protoplanetaren Scheibe ihres Sterns. Systeme aus einem Stern und einem ihn umkreisenden Braunen Zwerg bilden sich dagegen wie Doppelsterne durch den Kollaps von zwei getrennten Gaswolken. Bowler und sein Team wollen nun ihre bisher eher kleine Stichprobe aus nur 27 solcher Objekte durch weitere Beispiele ergänzen. Dafür suchen sie unter anderem in den Daten des Weltraumobservatorium Gaia nach Systemen mit Planeten oder Braunen Zwergen, die einen Zentralstern in großem Abstand umkreisen.

Quelle: Brendan Bowler (The University of Texas, Austin) et al., Astronomical Journal, doi: 10.3847/1538-3881/ab5b11

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