Braune Zwerge sind seltsame Himmelsobjekte. Eine Art Mittelding zwischen Planet und Stern. Der Unterschied zwischen Stern und Planet ist ja eigentlich leicht zu erklären: Ein Stern leuchtet von selbst, ein Planet nicht. In der Realität ist alles natürlich ein wenig komplizierter – dafür aber auch interessanter!
Damit ein Himmelskörper selbst Energie erzeugen kann, muss er genug Masse haben. Ist er schwer genug, dann drückt ihn sein eigenes Gewicht so stark zusammen, dass sein Inneres heiß genug wird. Heiß genug, damit dort Atomkerne verschmelzen können. Diese Kernfusion liefert Energie und der Stern strahlt. Damit das funktioniert, muss es allerdings sehr heiß sein und der Himmelskörper sehr schwer. Die Kernfusion beginnt, sobald ein Objekt ungefähr 80 Mal schwerer ist als der Planet Jupiter. Und der ist immerhin der größte und massereichste Planet im Sonnensystem – und dreihundert Mal schwerer als die Erde (man hört zwar oft, Jupiter sei ein „verfehlter Stern“ und es hätte nur wenig gefehlt, damit er auch selbst zu leuchten beginnt – aber es stimmt trotzdem nicht).
Bei 80 Jupitermassen setzt die klassische Kernfusion ein. Wasserstoff wird im Inneren des Sterns zu Helium fusioniert. Aber in der Natur gibt es selten klare Grenzen und so ist es auch bei der Fusion. Ein Himmelskörper, der dieses Fusionslimit nicht schafft, kann vielleicht trotzdem noch ein bisschen Energie erzeugen. Ist das Objekt leichter als 80 Jupitermassen, dann kann es unter Umständen trotzdem noch massereich genug sein, um Deuterium (eine Variation des normalen Wasserstoffs das zwei Kernbausteine im Atomkern hat anstatt nur einem) zu fusionieren. Das ist aber kein „richtiges“ Leuchten. Es wird dabei nur wenig Energie erzeugt und das auch nur recht kurz (verglichen mit den Milliarden Jahren, die ein normaler Stern leuchten kann). Solche Objekte nennt man „Braune Zwerge“. Sie müssen ungefähr 13 Mal schwerer sein als Jupiter, damit sie zu so einem „falschen Stern“ werden können.
Bei der Suche nach extrasolaren Planeten finden die Astronomen immer wieder mal solche Himmelskörper. Im Gegensatz zu den Exoplaneten ist es bei den braunen Zwergen aber ein klein wenig leichter, sie direkt zu beobachten und nicht nur indirekt zu entdecken. Immerhin sind sie größer und heller. Die Chancen, ein richtiges Bild zu bekommen stehen besonders gut, wenn man an den richtigen Stellen sucht. Also bei jungen Sternen in der Nähe der Sonne. Braune Zwerge entstehen gemeinsam mit den Sternen, die sie umkreisen. Je jünger der Stern, desto jünger ist also auch der braune Zwerg. Und je jünger er ist, desto stärker leuchtet er noch und desto einfacher ist er zu finden. Bei sonnennahen Sternen sucht man deswegen, weil hier die Chancen gut stehen, auch braune Zwerge zu finden, die ihren Stern vergleichsweise nahe umkreisen. Sind Stern und brauner Zwerg zu weit entfernt, dann kann man sie im Teleskop nicht mehr auflösen.
Die Astronomen der Uni Jena haben im Jahr 2009 so einen braunen Zwerg gefunden. Er umkreist den Stern PZ Tel, der nur von der Südhalbkugel der Erde aus zu sehen ist und sich passenderweise im Sternbild „Teleskop“ befindet. Er ist noch sehr jung, nur knapp 12 Millionen Jahre alt und uns mit einer Entfernung von 168 Lichtjahren vergleichsweise nahe. Der braune Zwerg der den Stern umkreist ist ungefähr 30 Mal schwerer als Jupiter und war 2009 nur 17 Astronomische Einheiten (AE) von seinem Stern entfernt. Das entspricht dem 17fachen Abstand zwischen Erde und Sonne und ist ein bisschen kleiner als die Entfernung zwischen Sonne und Uranus. So sieht das aus:
Das Helle in der Mitte ist der Stern, der kleine helle Punkt links ist der braune Zwerg. Wenn man nur ein Bild hat, dann besteht natürlich immer die Chance, dass man gar keinen Begleiter entdeckt hat, sondern zum Beispiel nur einen anderen Stern, der sich viel weiter entfernt im Hintergrund befindet und mit dem anderen Stern gar nichts zu tun hat. Darum muss man das System weiter beobachten und nachsehen, ob sich was bewegt. Die Sterne selbst bewegen sich ja durch die Milchstraße und der braune Zwerg bewegt sich um den Stern. Ist es kein brauner Zwerg sondern ein Hintergrundstern, dann sollte der sich viel langsamer bewegen als der nähere Vordergrundstern. Also haben die Astronomen aus Jena weiter beobachtet und festgestellt, dass es sich tatsächlich um einen braunen Zwerg handelt:
Hier sieht man, wie sich die Position des braunen Zwergs im Laufe der Zeit verändert hat (das sind die schwarzen Punkte). Wäre es ein Hintergrundstern gewesen, an dem sich PZ Tel vorbei bewegt hätte, dann hätte man erwartet, dass die Punkte auf einer der gelben Linien liegen. Die Daten zeigen aber klar, dass es sich um einen echten Begleiter des Sterns handelt. Ein Begleiter, der sich um den Stern herum bewegt. In echten Bildern schaut das natürlich viel schöner aus:
Hier sieht man, wie sich der braune Zwerg zwischen 2007 (man hat in den Archiven noch ein weiteres Bild von ihm gefunden, dass das damals niemanden aufgefallen ist) und 2011 bewegt. Es sieht so aus, als würde sich der braune Zwerg direkt vom Stern entfernen, anstatt ihn zu umkreisen. Aber das liegt nur daran, dass er eine sehr langgestreckte Bahn hat! Anstatt ungefähr immer gleich weit vom Stern entfernt zu sein (so wie das bei den Planeten in unserem Sonnensystem der Fall ist). Da man den Planeten erst seit ein paar Jahren beobachtet, hat man noch nicht genug Daten, um die Bahn exakt zu bestimmen. Aber es ist klar, dass sie sehr langgestreckt sein muss. An seinem sternnächsten Punkt der Bahn ist der braune Zwerg nur 10 AE vom Stern entfernt (also so weit, wie Saturn von der Sonne entfernt ist). An seinem sternfernsten Punkt dagegen ist er ungefähr 40 AE weit weg – ungefähr so weit, wie der Zwergplanet Pluto von der Sonne entfernt ist! So sieht das ungefähr aus:
Der braune Zwerg hat seinen sternnächsten Punkt gerade erst vor ein paar Jahren durchquert. Die nächsten Jahrzehnte wird er sich von ihm entfernen, bevor er dann wieder zurück kommt und nach etwa 114 Jahren einen kompletten Umlauf beendet hat. Für die Astronomen ist das eine praktische Konstellation. Je weiter der braune Zwerg vom Stern entfernt ist, desto leichter lässt er sich beobachten. Und beobachten sollte man ihn! PZ Tel dürfte ein sehr interessantes System sein. Man hat weiter außen um den Stern Anzeichen für eine Scheibe aus Staub entdeckt (warum so etwas interessant ist, habe ich hier erklärt). Die reicht bis fast an die Bahn des braunen Zwergs heran und es wäre sicherlich interessant herauszufinden, wie die regelmäßigen Vorbeigänge des braunen Zwergs die Staubscheibe durcheinander bringen… Vielleicht gibt es dort draußen in der Scheibe ja sogar noch weitere Planeten?
Besteht Deuterium nicht aus 1 Proton und 1 Neutron?
@dickesB: Arg, natürlich! Ich wollte eigentlich „Kernbausteine“ schreiben statt „Protonen“…
„….war 2009 nur 17 Astronomische Einheiten (AE) von seinem Stern entfernt. Das entspricht dem 15fachen Abstand zwischen Erde und Sonne….“
Steh ich gerade total auf dem Schlauch, oder hab ich ein Knoten im Hirn?
Ist Astronomische Einheit nicht definiert als mittlerer Abstand Sonne zu Erde??!?!
Bitte um Aufklärung
@ich: War ein Tippfehler…
Florian, gibt es da eigentlich einen deutlich sichtbaren Sprung, wenn ein Himmelskörper die Grenze von 80 Jupitermassen durchschreitet und die Kernfusion zündet oder ist das mehr ein fließender Übergang vom braunen Zwerg zum echten Stern? Und könnte es dabei zu einem Pulsieren kommen, wenn durch die einsetzende Kernfusion und den dadurch verursachten Sonnenwind die einen Stern umgebende Gaswolke fortgeschleudert wird, so dass dieser Stern bald wieder unter die 80 Jupitermassen fällt? Erlischt die Kernfusion überhaupt wieder in diesem Fall oder bleibt sie erhalten und erlischt erst bei einer Sternmasse deutlich unterhalb 80 Jupitermassen (also quasi eine Hystereseschleife)?
Braune Zwerge sind irgendwie Körper die mich faszinieren.
Ich hab aber mal eine Frage, was passiert beim Erlöschen eines Braunen Zwergs?
Also wenn sein Kernbrennstoff ausgebrannt ist? Erliescht er einfach oder kommt es zu einer Nova ähnlichen Reaktion?
Braune Zwerge, die erlöschen – erlöschen einfach. Sie werden wohl noch einige 10 Mio Jahre nachglühen. Aber da es nach dem Versiegen des Deuteriumgehaltes nichts mehr gibt, was fusioniert werden kann, passiert auch nichts mehr.
Sogar die kleinsten Roten Zwergsterne (diejenigen, die „voll konvektiv“ sind, dh, all ihr Material durch ihren Kern cyclen) werden nie eine Rote-Riesen-Phase durchlaufen, sondern sich langsam immer mehr in einen Helium-Weissen-Zwerg verwandeln – so lange, bis die Fusionszone (4 p -> 4He) so nahe an die Oberfläche gewandert ist, dass der Druck nicht mehr ausreicht, um sie aufrecht zu erhalten. Am Ende bleibt ein massearmer Weisser Zwerg zurück mit einer dichten, heliumreichen Wasserstoff-Atmosphäre darüber.
@Florian: Liegt bei 17 AE der Vergleich mit Uranus nicht näher? „Fast soweit wie Uranus“ statt „ein bisschen weiter als Saturn“?
@Dark_Tigger
Auch deutlich massivere Sterne wie unsere Sonne explodieren am Ende nicht. Die dehnen sich nur, wenn die Fusion in einer Schale nach außen wandert, irgendwann zu Roten Riesen aus, zünden später Helium im Kern und blasen einen Teil ihrer dünn gewordenen äußeren Atmosphäre ins All. Irgendwann verlöschen sie und schrumpfen zum Weißen Zwerg, umgeben von einer Gaswolke aus der früheren Atmosphäre („Planetarischer Nebel“). Nur Sterne ab 10 Sonnenmassen explodieren als Supernova, wenn ihr Kern irgendwann nach dem Fusionieren von Elementen bis zum Eisen zu einem Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch kollabiert.
Eine Nova ist wieder ganz was anderes, das ist ein bereits entstandener Weißer Zwerg, der von einem zum Riesen gewachsenen engen Begleitstern Masse abzapft, die dann irgendwann auf der Oberfläche eine kurzfristige Kernfusion zündet. Solche Novae können sich auch wiederholen, solange weiteres Material vom Begleitstern geliefert wird. Wenn die Masse des Weißen Zwergs schließlich durch den Zugewinn auf 1,6 Sonnenmassen gewachsen ist, kollabiert aber auch er zum Neutronenstern und verursacht eine Typ Ia-Supernova.
Die etwas irreführenden Namen resultieren aus der Beobachtungsgeschichte: ein etwas heller gewordener Stern wurde am Himmel plötzlich sichtbar und so nannte man ihn „Nova Stella“ – Neuer Stern (weil er halt vorher unsichtbar war). Eine Supernova wird im Vergleich sehr viel heller als eine Nova, deshalb „Super“. Die Prozesse haben aber nichts miteinander zu tun.
@Dark_Tigger: Wenn der Braune Zwerg erlischt, dann kühlt er einfach aus.
@Bynaus: Danke. Ich hatte da ursprünglich nen anderen Artikel gelesen und ganz andere Zahlen stehen – und das erst später korrigiert. Aber anscheinend nicht überall…
Wie lange leben braune Zwerge denn so im Allgemeinen?
@Bynaus, Alderarmin, FF
Danke für die Antwort.
@Alderarmin
Okay, das ablösen der äußeren Hülle war eigentlich das was ich meinte. Bin halt nicht vom Fach. 😀
Noch eine Frage, wie „kurz“ ist denn etwa die Leuchtdauer so eines Braunen Zwergs?
Reden wir hier von hunderten Millionen Jahren oder eher von wenigen dutzend?
@ noch’n Flo:
Was darf man bei einem braunen Zwerg als „leben“ verstehen? Es finden ja keine Fusionsprozesse statt. Irgendwann ist die Energiefreisetzung durch gravitatives Schrumpfen zu Ende. Und dann bleibt da noch ein warmer Klotz, der durch Wärmeabstrahlung sehr, sehr lange vor sich hin kokelt. Wärmeabstrahlung ist sehr viel ineffektiver als Wärmeleitung.
Nur als Vergleichsmaßstab: die etwas schwereren roten Zwerge unterhalten ja ein wenig Kernfusion. Ihre Lebensdauer kann man so betrachtet sinnvoller definieren. Mit ihrem Vorrat gehen sie so haushälterisch um, dass alle roten Zwerge, die jemals entstanden sind, immer noch als solche existieren. Wie sprechen also von verdammt vielen Jahrmilliarden.
@noch’n Flo: „Wie lange leben braune Zwerge denn so im Allgemeinen? „
Ich würde sagen, mindestens so lange wie die Sterne, die sie umkreisen. Und wenn sie weit genug weg sind, falls einer davon zur Supernova wird, dann noch viel länger. Die Zwerge explodieren ja nicht und verbrauchen sich nicht. Die werden einfach nur immer kälter und kälter – und das können sie im Prinzip bis zum Ende des Universums tun…
Dann ändern wir Lebensdauer mal zu „Leuchtdauer“.
Die wird ja im Artikel als „Kurz“ beschrieben. Mit wie vielen Jahrmillionen können wir da rechnen?
Und können Braune Zwerge genug Licht und Wärme erzeugen um eine habitable Zone zu haben?
@ Dark_Tigger:
Das löst das Problem bei der Fragestellung nicht. „Leuchten“ im Sinne von optischem Licht tut ein BZ sowieso kaum oder gar nicht. Die Emission reicht eigentlich nur bis ins Infrarot, er ist im Grunde nur „warm“. Die Bilder, auf denen BZ zu sehen sind, sind ja auch im Infraroten aufgenommen worden. Und Wärme abstrahlen wird er so lange, wie er nicht am absoluten Nullpunkt angekommen ist.
Ich finde, wenn man von „braunen Zwergen“ spricht, sollte man sich von Begrifflichkeiten freimachen, mit denen man Sterne für gewöhnlich bezeichnet. Es geschehen da ganz andere Dinge als auf einem richtigen Stern. Hauptsächlich fehlt eine Kernfusionsmaschine im Zentrum.
@Dark_Tigger
Sagen wir’s so, es wurde ein Brauner Zwerg der Spektralklasse Y (das sind nach L und T die kühlsten) gefunden, der in seiner oberen Atmosphäre mollige 25° C hat… Das ist dann aber schon extrem kühl, ein paar hundert K sind bei Braunen Zwergen normal.
Dann dürfte die habitable Zone möglichen flüssigen Wassers allerdings so eng an dem braunen Zwerg liegen, dass es dort einen Planeten zerreissen würde, schätze ich (ohne Gewähr). Also eher nein.
@zwingenberger: Und Wärme abstrahlen wird er so lange, wie er nicht am absoluten Nullpunkt angekommen ist.
Ist es nicht eher so bis er im thermischen Gleichgewicht zur Hintergrundstrahlung ist?
@Matthias Kneller
Korrekter Punkt.
Aber klauszwingenberger liegt trotzdem nicht ganz falsch: die Temperatur der Hintergrundstrahlung sinkt im Verlauf der zukünftigen Entwicklung des Universums in Richtung absoluter Nullpunkt. Wenn das Weltall sich weiter ausdehnt, das Proton nicht zerfällt und der braune Zwerg mit nichts anderem kollidiert, dann kühlt er also asymptotisch gegen den absoluten Nullpunkt ab.
Gut aufgepasst, alle beide! Als ich’s rausschickte, tat es mir schon fast leid. Klar, es geht zum thermischen Gleichgewicht hin, und die Richtung ist ja auch richtig. Richtig ist aber wohl auch, dass der BZ auf diesem Weg jedenfalls nie am genannten Ziel ankommen wird.
@klauszwingenberger
Mit dem gleichen Argument wird aber auch die Gleichgewichtstemperatur nie erreicht, zumal diese auch noch im Fallen begriffen ist.
Aber für jede noch so kleine Temperaturdifferenz (auch zum absoluten Nullpunkt) gibt es einen Zeitpunkt, an dem sie erreicht wird… und irgendwann schlägt dann die Messgenauigkeit zu. 🙂