Astronomen bestimmen erstmals fundamentale Eigenschaften zweier astraler Paradiesvögel

Internationales Astronomenteam ermittelt Masse und Oberflächentemperatur eines erdnahen Braunen Zwergs und die seiner Muttersonne, die selbst ein extrem kleiner Zwergstern vom Typ L ist

Schwarze Löcher, Blaue und Rote Riesen, Rote und Weiße Zwerge – im Weltraum tummeln sich jede Menge fabelhafte Gestalten. Hierzu zählen auch Braune Zwerge. Dank einer umfangreichen Observation mit den besten zur Verfügung stehenden Teleskopen konnte kürzlich ein internationales Astronomenteam bei einem erdnahen Doppelsternsystem die Bewegung der dort beheimateten beiden massearmen Himmelskörper in Höchstauflösung verfolgen und den Umlauf in sieben Phasen fotografieren. Dabei ermittelten die Forscher erstmals die Masse und Oberflächentemperatur eines Braunen Zwergs und stellten zudem fest, dass dessen Heimatstern es mal gerade noch so geschafft hat, die Kernfusion in seinem Innern zu zünden.

So manch böswilliger Astronom bezeichnet sie schlichtweg als stellare Taugenichtse, Möchtegern-Sterne, Fehlzünder im All, astrale Paradiesvögel oder kosmische Versager, die einfach zu wenig Saft haben, um sich selbst zu entzünden. Gewiss, selbst patente Sternforscher schreiben den so genannten Braunen Zwergen ("Brown Dwarfs") nicht gerade eine ausgeprägte astrale Potenz zu. Zwar entstehen derlei Gebilde, wie dies bei echten Sternen die Regel ist, ebenfalls infolge eines gravitativen Kollapses einer Gaswolke. Doch genug Masse, um in ihrem Innern die Mindesttemperatur von drei Millionen Kelvin zu erreichen, welche das nukleare Feuer entfacht, besitzen diese pseudostellaren Blindgänger bei weitem nicht. Während normale Sterne, auf denen Wasserstoff zu Helium verbrannt wird, ihr Dasein einer solchen Kettenreaktion verdanken, findet auf Braunen Zwergen eine Kernfusion nicht statt.

Weder braun noch zwergenhaft

Seit 1963, als Dr. Shrinivas Kulkarni vom California Institute of Technology erstmals über die Existenz dieser kühlen und schwach leuchtenden Objekte spekulierte, gelten diese hypothetischen Körper als das fehlende Bindeglied zwischen Planeten und Sternen. Bezeichneten Astronomen dieses Phänomen anfangs noch als "Schwarze Sterne" und "Infrarotsterne", versah die bekannte SETI-Forscherin Dr. Jill Tarter vor knapp 30 Jahren die astralen Vagabunden mit dem leicht irreführenden Namen "Brown Dwarfs". Aber erst seit der Erstentdeckung dieser Pseudosterne im Jahre 1995 ist bekannt, dass sie weder braun noch wirklich zwergenhaft sind.

Wäre der Begriff "Roter Zwerg" nicht bereits an richtige Sterne mit weniger als einer halben Sonnenmasse vergeben gewesen, hätten sich diese bizarren Gebilde mit einem weitaus besseren Namen schmücken können. Nicht zuletzt deshalb, da diese im optischen schwach rötlich emittieren und den größten Planeten unseres Sonnensystem an Masse sogar bis um das 74-fache übertreffen können, wobei anzumerken ist, dass bereits bei der 75-fachen Jupitermasse bzw. sieben Prozent der Sonnenmasse der Grenzpunkt schon überschritten ist. Dann verwandelt sich der Gasriese in einen Stern, weil die notwendige Mindestmasse zum Zünden der Wasserstoff-Fusion erreicht ist.

"Star Forming Region S106" – Infrarotaufnahmen dieser Region offenbarten den Astronomen Hunderte von Braunen Zwergen (Bild: CISCO, Subaru 8,3-m-Teleskop, NAOJ)

Auch wenn Braune Zwerge den Sprung in die stellare Selbstständigkeit nicht geschafft haben, geben sie sich nicht nur im optischen Spektrum, sondern noch auf anderen Bandbreiten zu erkennen. So wandeln sie etwa ihre Gravitationsenergie in Strahlung um, senden überdies noch reichlich Röntgenstrahlung ab und sind im infraroten Licht ebenfalls auszumachen. Trotzdem haben Astronomen bisher nur Hunderte solcher Exoten lokalisiert. Dabei sollen sich Schätzungen zufolge allein in unserer Galaxis etwa 100 Milliarden Braune Zwerge verstecken.

Daher mutet es schon ein wenig überraschend an, dass bislang kaum aussagekräftige Daten über die fundamentalen Eigenschaften dieser fehlgezündeten Gasbälle vorliegen. Denn im Gegensatz zu echten, also massereicheren Sternen, lässt sich bei Braunen Zwergen keine eindeutige Beziehung zwischen ihrer Leuchtkraft und ihrer Masse herstellen. Schließlich hängen Oberflächentemperatur und Leuchtkraft bei kühlen Zwergsternen sowohl von ihrem Alter als auch von ihrer Masse ab. Um das Geheimnis der Braunen Zwerge zu lüften, müssen Astronomen also zunächst einmal Genaueres über die tatsächliche Masse solcher bizarren Objekte in Erfahrung zu bringen.

In trauter Zweisamkeit

Genau dies hat nunmehr ein internationales 14-köpfiges Astronomenteam aus neun verschiedenen Instituten im Rahmen einer aufwändigen Observation mit den zur Zeit leistungsfähigsten Teleskopen bewerkstelligt. Im Okular hatten die Forscher dabei das 40 Lichtjahre entfernte Doppelsternsystem mit der kryptischen Bezeichnung 2MASSW J0746425+2000321, in dem ein ultrakalter Zwergstern und ein kühler Brauner Zwerg in trauter Zweisamkeit ihren gemeinsamen Schwerpunkt umkreisen. Um die geringfügige Bewegung der beiden Sterne in dem erdnahen System verfolgen zu können, operierte das Astronomenteam gleich mit vier Fernrohren: mit dem Keck- und Gemini-Teleskop, dem Hubble-Weltraumteleskop der NASA und dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile. Dass hierbei die erforderliche Auflösung von 0,13 bis 0,22 Bogensekunden erreicht werden konnte – was in etwa der Größe einer 1-Euro-Münze in 25 Kilometern Entfernung entspricht –, ist auch dem Einsatz des adaptiven optischen NACO-Instruments des 8,2-Meter-VLT-Spiegelteleskops Yepun der ESO zuzuschreiben.

Auch "Hubble" war mit von der Partie (Bild: NASA)

Bei der adaptiven Optik handelt es sich um ein spezielles Korrekturverfahren, das die Angleichung der atmosphärischen Schwankungen durch die laufende Messung der Bildverformungen und deren Kompensation mittels rechnergesteuerter, schnell deformierbarer Spiegel erlaubt, die in den Strahlengang der Teleskopriesen eingebracht sind. Das Resultat: Die Luftunruhen in der Erdatmosphäre werden herausgefiltert, das Bild förmlich entwackelt. "Mittels der Kombination des hocheffektiven NACO-Instruments mit dem UT4-Teleskop und dank der hervorragenden Beobachtungsbedingungen auf Paranal konnten wir sehr scharfe Bilder von dem Doppelsternsystem aufnehmen. Diese sind fast so gut wie jene von Weltraumteleskopen", erklärt Hervé Bouy vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching bei München, der das Team zusammenstellte und die Beobachtung leitete.

Um Haaresbreite zum Stern geworden

Wie Hervé Bouy und seine Kollegen in dem Fachmagazin "Astronomy & Astrophysics" (10.1051/0004-6361:20040551) berichten, beobachteten sie mit den Großteleskopen über einen Zeitraum von vier Jahren das Binärsystem und verfolgten dabei hauptsächlich den Orbit der beiden Objekte. Hierbei nahmen sie sieben verschiedene Konstellationen, also Positionen, welche die "Sterne" während ihres Umlaufs zueinander einnahmen, via Infrarot auf.

Dass die gewonnenen Daten letztendlich auf ein äußerst bizarres Doppelsternsystem hindeuten, zeigen die nackten Zahlen. Einerseits benötigen beide Körper, die nur 2,5 Astronomische Einheiten (ungefähr 375 Millionen Kilometer) voneinander entfernt sind, für einen Umlauf umeinander zehn Jahre. Andererseits beträgt die Gesamtmasse des Systems weniger als 15 Prozent der Sonnenmasse. Bemerkenswert ist zudem, dass beide Gasriesen mit rund 1.500 Grad Celsius ungefähr die gleiche Oberflächentemperatur haben, wohingegen unser Heimatgestirn immerhin mit mehr als dem Dreifachen aufwarten kann.

Sieben Infrarotaufnahmen der beiden "Zwerge" in sieben verschiedenen Konstellationen, auch als Animation zu finden (Bild:ESO)

Gemessen an waschechten Sternen handelt es sich bei den beiden Exoten, die gerade mal 500 bis 1.000 Millionen Jahren jung sein dürften, um extrem kühle Körper. Während der größere von beiden eine Masse von 7,5 bis 9,5 Prozent der Sonnenmasse aufweist und somit den Sprung ins stellare Dasein so gerade noch geschafft hat, verfehlte der kleinere Partner ihn um Haaresbreite. Er kann nur 5 bis 7 Prozent der Sonnenmasse vorweisen, muss sich demnach mit dem Status eines Braunen Zwergs begnügen.

Wie dem auch sei – jedenfalls konnten die Astronomen im Rahmen der aktuellen Messung das erste Mal die fundamentalen Eigenschaften eines Braunen Zwergs und Zwergsterns vom Typ L bestimmen. Und dieser Sterntyp, der erst 1997 entdeckt wurde und der masseärmste seiner Zunft ist, ist selten.

Wie die Planetenjäger

Da die Hälfte der Sterne in unserer Galaxis in allen verschiedenen Größen in Doppelsternsystemen vorkommen, fokussieren sich die Braune-Zwerg-Spezialisten auf bekannte Einzelsterne, die von einem möglichen lichtschwachen Trabanten begleitet werden. Aber nicht nur lichtschwach, sondern vor allem jung sollte der Kandidat sein. "Weil Braune Zwerge kurz nach ihrer Entstehung am hellsten sind, sollten sie in jungen Sternhaufen am ehesten zu finden sein", verdeutlicht Gibor Basri von der Universität von Kalifornien in Berkeley, einer der führenden Experten auf diesem Feld. "Ältere, das heißt kühlere und somit leuchtschwächere Braune Zwerge sind im Feld viel schwerer zu finden."

Auf der Suche nach Braunen Zwergen bedienen sich Basri und seine Kollegen der altbewährten und effektiven Radialgeschwindigkeitsmethode, bei der die Gravitationskraft der Planeten und die daraus resultierende kleine Bewegung des Zentralsterns gemessen wird. Umkreist ein Brauner Zwerg einen Stern, bewegen beide sich den Gesetzen der Gravitation folgend um den gemeinsamen Schwerpunkt. Die Konsequenz: Der Stern zelebriert einen gravitationsbedingten Tanz; seine rhythmischen Bewegungen lassen sich anhand der Änderung der Radialgeschwindigkeit feststellen. Bewegt sich die ferne Exo-Sonne minimal auf die Erde zu, dann erscheinen die Spektrallinien zum blauen Licht, zum kürzeren des optischen Spektrums verschoben, wohingegen im umgekehrten Fall das Ganze eine geringe Rotverschiebung aufweist. Bereits heute lässt sich das durch die Gravitation extrasolarer Planeten verursachte Schwanken der Sterne metergenau berechnen.

Stein von Rosetta?

Auf jeden Fall könnte sich das vermeintliche Doppelsternsystem 2MASSW J0746425+2000321 als extrem wertvolles Objekt für das Studium der Übergangsphase von Planeten zu Sternen etc. erweisen. Schließlich gehen viele Astronomen davon aus, dass diese Himmelskörper ein Verbindungsstück zwischen Sternen und Planeten darstellen und viel über die über die Entstehung von Sternen und Planeten verraten. Vielleicht ist dies der Grund dafür, dass zumindest in der offiziellen ESO-Pressemeldung das Binärsystem derweil als "Stein von Rosetta" gefeiert wird. Es sei durchaus möglich, dass die beiden exotischen Himmelskörper die astrophysikalische Forschung über massearme Zwergsternen und allen Phänomenen, die damit in Verbindung stehen, ob Planeten oder Braune Zwerge, entscheidend beleben.

Ähnlich sieht dies auch Gibor Basri: "Das erste Kapitel in der Entdeckungsgeschichte der Braunen Zwerge ist nunmehr vollendet. Die Suchmethoden haben sich bewährt, und es gibt genügend Kandidaten für weiterführende Studien." In den nächsten Jahren werde es den Forschern sicherlich gelingen, die Häufigkeit und Massenverteilung sowie die räumliche Verteilung von Braunen Zwergen im Milchstraßensystem näher zu bestimmen, so Basri. Möglicherweise werden die Theoretiker weitere Modelle entwerfen, aus denen abgelesen werden kann, wie einzelne Braune Zwerge und solche in Doppelsternsystemen überhaupt entstehen. Ohnehin sei es bemerkungswert, wie Prof. Basri betont, dass eine Klasse von Himmelskörper, die genauso zahlreich wie die der Sterne sei, sich bis vor kurzem solchen grundlegenden Untersuchungen entzogen hat. (Harald Zaun)

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