Braune Zwerge sind ziemlich außergewöhnliche Himmelsobjekte. Sie sind ein wenig wie Sterne, ohne aber echte Sterne zu sein. Und sie sind ein wenig wie Planeten, ohne echte Planeten zu sein. Ein Stern erzeugt in seinem Inneren Energie und das dauerhaft für viele Millionen bis Milliarden Jahren. Damit das funktioniert muss sein Inneres heiß genug sein und das geht nur, wenn der Stern genügend Masse hat. Eine Gaskugel muss mindestens 75 Mal mehr Masse haben als der Planet Jupiter, damit das klappt. Dann kann Wasserstoff in Helium umgewandelt werden und aus der Gaskugel wird ein Stern. Eine leichtere Gaskugel kann nicht dauerhaft Energie erzeugen. Aber vielleicht ein bisschen… es kann in ihrem Inneren immer noch warm genug sein, um Deuterium (ein Isotop des Wasserstoffs) zu fusionieren. Dabei wird aber nicht so viel Energie frei und da im Universum sehr viel weniger Deuterium als Wasserstoff existiert, ist der Brennstoff nur für sehr kurze Zeit vorhanden. Ein Deuterium verbrennendes Objekt leuchtet also nur sehr schwach und das auch nur für sehr kurze Zeit. So ein Objekt nennt man „Brauner Zwerg“ und er muss mindestens 13 Mal so schwer sein wie Jupiter. Erst unter dieser Grenze ist den Objekten keine Kernfusion mehr möglich und man nennt sie „Planeten“. Braune Zwerge sind also eine Art Mittelding zwischen Stern und Planet und den ersten von ihnen haben wir erst vor knapp 20 Jahren entdeckt! Es gibt hier also noch sehr viel zu erforschen und vor allem zu verstehen und dank der Arbeit von Ian Crossfield vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg und seinen Kollegen haben wir die braunen Zwerge nun ein bisschen besser verstanden. Denn sie haben es geschafft, eine Karte der Oberflächenstrukturen eines braunen Zwergs zu erstellen!
Natürlich reden wir hier nicht von Bergen, Ozeanen und Kontinenten. Ein brauner Zwerg ist eine große Kugel aus Gas und hat keine festen Strukturen. Die Karte um die es geht ist also keine geografische, sondern eher eine meteorologische Karte, die Wolken und Wetter zeigt. Crossfield und seine Kollegen haben in ihrer Arbeit „A Global Cloud Map of the Nearest Known Brown Dwarf“ (pdf) den braunen Zwerg WISE J104915.57-531906.1B untersucht, der besser mit dem Namen Luhman 16B bezeichnet wird. Entdeckt wurde er letztes Jahr (ich habe damals berichtet) und es ist ein ganz besonderer brauner Zwerg. Erstens ist er Teil eines Doppelsystems; es handelt sich also um zwei braune Zwerge die einander umkreisen. Und zweitens ist es der braune Zwerg, der uns am nächsten ist. Luhman 16A und Luhman 16B sind nur 6,5 Lichtjahre entfernt und damit nach den Sternen des Alpha-Centauri-Systems (4,2 Lichtjahre) und Barnards Stern (6 Lichtjahre) die nächsten bekannten Himmelskörper in der Nachbarschaft der Sonne.
Trotz dieser Nähe können wir aber auch mit den besten Teleskopen nicht mehr vom braunen Zwerg sehen als einen Lichtpunkt im Teleskop. Es ist unmöglich, seine Oberfläche direkt zu sehen. Aber wenn die Astronomen etwas können, dann ist es die indirekte Beobachtung! Ihnen bleibt selten etwas anderes möglich, als sich knifflige Methoden auszudenken, mit denen sie aus den wenigen vorhandenen Daten irgendwie auf das schließen können, was sie interessiert. In diesem Fall nennt sich die Methode „Doppler Imaging“. Crossfield und seine Kollegen haben die großen Teleskope der Europäischen Südsternwarte in Chile benutzt, um sehr viele sehr genaue Spektren des braunen Zwergs aufzunehmen. Dabei sieht man nach, wie viel Licht einer bestimmten Wellenlänge vom braunen Zwerg zu uns gelangt. Die Intensität hängt unter anderem von den chemischen Elementen ab, die im braunen Zwerg zu finden sind. Jedes Element blockiert ganze bestimmte Wellenlängen des Lichts und man sieht im Spektrum dann die Spektrallinien die zu dem Element gehören.
Die chemische Zusammensetzung eines braunen Zwergs zu kennen ist zwar toll, aber nicht das, was Crossfield hier interessiert hat. Diesmal ging es um die Veränderung der Spektren. Man kann anhand der Linien zum Beispiel erkennen, wie heiß es dort ist, wo das Licht herkommt. Je heißer es ist, desto schneller bewegen sich die Gasmoleküle die die Spektrallinien verursachen hin und her. Diese Bewegung sorgt für eine sogenannte Dopplerverschiebung der Linien. Normalerweise verursacht ein bestimmtes Element eine ganz klar definierte Linie bei einer exakt bestimmten Wellenlänge. Diese Wellenlänge hängt aber von der Geschwindigkeit ab, mit der sich das Molekül bewegt und wenn die Moleküle nun alle wegen der hohen Temperaturen wild hin und her tanzen, dann bekommt man keine klare Linie, sondern eine, die ein wenig „verschmiert“ ist. Man nennt das die „Dopplerverbreiterung“ und kann daraus die Temperatur des Gases berechnen.
Das allein reicht aber noch nicht, um die Oberfläche eines Himmelskörpers kartieren zu können. Dazu braucht man mehrere Spektren. Stellen wir uns vor, irgendwo auf dem braunen Zwerg gibt es einen hellen und heißen Fleck. Da der braune Zwerg rotiert, dreht sich auch dieser Fleck mit ihm herum. Ist der Fleck von uns aus gesehen gerade auf der Rückseite des Zwergs, dann merken wir natürlich nichts. Ist er auf der uns zugewandten Seite, dann sehen wir die durch die höheren Temperaturen verursachte Dopplerverbreiterung. Wir sehen aber noch mehr! Denn die Rotation des Zwergs selbst verursacht auch einen Dopplereffekt. Wenn er rotiert, dann dreht sich eine Hälfte des Zwergs auf uns zu und die andere Hälfte dreht sich von uns weg. Eine Lichtquelle, die sich auf uns zu bzw. von uns weg bewegt, erzeugt aber einen Dopplereffekt. Genau so wie sich die Tonhöhe der Sirene eines Krankenwagens verändert, wenn sich das Auto auf uns zu bzw. von uns weg bewegt, ändert sich auch die Frequenz des Lichts. Licht das auf uns zu kommt wird zu höheren Frequenzen (d.h. zur Farbe Blau) verschoben; Licht das von einer sich entfernenden Quelle kommt, ist zu niedrigeren Frequenzen (d.h. Richtung Rot) verschoben. Und jetzt kommt der wichtige Punkt: verschiedene Regionen eines braunen Zwergs bewegen sich unterschiedlich schnell! Ein brauner Zwerg ist genau so wie ein Stern keine feste Kugel, wie zum Beispiel die Erde, sondern eine große Masse aus Gas, die am Äquator schneller rotiert als an den Polen. Ein Punkt am Äquator der Sonne braucht knapp 24 Tage für eine Rotation; an den Polen dauert es knapp 31 Tage.
Die Astronomen können nun also einerseits nach der Dopplerverbreiterung der Linien schauen die ihnen etwas über die Temperatur sagt. Und sie können nachsehen, wie die Dopplerverschiebung des Spektrums aussieht und so herausfinden, wie schnell sich die heiße/kalte Region bewegt und damit auch bestimmen, wo am braunen Zwerg sie sich befindet. In Wahrheit ist das Doppler Imaging natürlich noch sehr viel komplizierter und man braucht viele Daten und noch mehr ausgeklügelte Computerprogramme die das alles zusammentüfteln – aber am Ende kann man dann tatsächlich ein Bild eines braunen Zwergs bzw. eines Sterns bekommen, dass die Verteilung von kühlen und heißen Zonen zeigt. Bei Sternen ist das eine Verteilung der Sternflecken; bei braunen Zwergen sind es wolkenartige Strukturen. Und so sieht das Ergebnis im Fall von Luhman 16B aus:
Das erste Bild zeigt eine klassische Karte mit den heißen und kühlen Zonen auf dem braunen Zwerg; das zweite zeigt den Zwerg in verschiedenen Ansichten.
Das mag auf den ersten Blick nicht enorm beeindruckend aussehen. Aber es ist enorm beeindruckend. Sterne hat man mit dieser Technik schon öfter abgebildet; bei braunen Zwergen ist in dieser Form bisher nicht gelungen. Und aus den Bildern kann man jede Menge lernen. Die dunklen Regionen auf der Karte sind Bereiche mit dicken Wolken, die heißere Schichten weiter unter verdecken während die hellen Bereiche Löcher in dieser obersten Wolkenschicht sind. Ein brauner Zwerg besteht also aus unterschiedlichen Wolkenschichten. Und natürlich haben Crossfield und seine Kollegen auch nachgesehen, wie schnell sich die Wolken verändern. Die Ergebnisse blieben nur ungefähr einen Tag lang konstant, bevor sie sich deutlich voneinander unterschieden. Das Wetter auf dem braunen Zwerg ändert sich also fast täglich! Und es ist ein dramatisches Wetter…
Aus den Temperaturen die Crossfield und seine Kollegen gemessen haben und den Daten über die chemische Zusammensetzung folgern sie die Existenz von knapp 2000 Grad heißen Wolken, in denen Silikate, Aluminium und Eisen auskristallisieren können. Heiße Wolken mit Regen aus Eisen! So ein brauner Zwerg ist tatsächlich ein ziemlich beeindruckender Himmelskörper… und wir haben gerade erst angefangen, sie richtig zu verstehen. Die Exometeorologie wird weiter Fortschritte machen. Wir werden mehr braune Zwerge untersuchen und wir werden sie besser untersuchen und irgendwann vielleicht sogar vorhersagen können, wie sich das Wetter dort entwickelt. Und irgendwann werden wir auch in der Lage sein, das Wetter auf auf fremden Planeten zu untersuchen!
Immer wieder beeindruckend, was man aus einem Lichtpunkt rausholen kann, wenn man nur genau hinguckt.
Wird es eigentlich möglich sein, derartige Himmelskörper in näherer Zukunft direkt zu beobachten, vielleicht mit dem EELT?
@Fliegenschubser: „Wird es eigentlich möglich sein, derartige Himmelskörper in näherer Zukunft direkt zu beobachten, vielleicht mit dem EELT?“
Jein. Du wirst mit dem EELT Exoplaneten direkt sehen können, ja. Aber eben genau so, wie du jetzt braune Zwerge direkt sehen kannst, als Lichtpunkt. „Direkt sehen“ heißt hier, dass du Licht empfängst, das direkt vom Planeten zu uns reflektiert wurde im Gegensatz zur jetzigen indirekten Detektion zB über das Wackeln des Sterns, wo man kein einziges Photon vom Planeten empfängt. Aber du wirst auf sehr lange Zeit hinaus nicht in der Lage sein, diese Lichtpunkte aufzulösen, d.h. tatsächlich irgendwelche Strukturen zu sehen. Das wird höchstens für ganz ein paar wenige sehr nahe und sehr große Sterne klappen.
@Fliegenschubser
Mit dem EELT sicher nicht, damit wird man wohl einige Planeten naher Sterne von diesen trennen und als Punkte abbilden können (optisch auflösen und spektroskopieren). Aber um Oberflächen von Planeten oder Braunen Zwergen (die auch nicht größer als der Planet Jupiter sind) flächig aufzulösen, bräuchte es tausende Kilometer an interferometrischer Basislinie.
Im Mikrowellenbereich ist das technisch schon möglich, aber das betrachtete Objekt muss dann auch solche Wellen in ausreichender Intensität aussstrahlen, wie etwa die Akkretionsscheibe eines Schwarzen Lochs. Die optische Interferometrie ist da noch nicht soweit. Man kann die Lichtsignale nicht mit der nötigen Zeitgenauigkeit aufzeichnen, um sie digital interferieren zu lassen, und bei der analogen Interferometrie besteht das Problem, die Basislänge auf einen Bruchteil einer Wellenlänge genau einzuhalten und überhaupt zu kennen. Das geht bisher nur zwischen Teleskopen am gleichen Ort, nicht etwa zwschen Teleskopen im Weltraum.
Aber wenn sich die Technik so schnell weiterentwickelt wie bisher, klappt das vielleicht irgendwann in diesem Jahrhundert. Man wird allerdings auch dann noch keine Auflösung erreichen, die einen Menschen oder ein Gebäude auflösen könnte. Aber vielleicht Kontinente, Polkappen und Wolkenstrukturen.
Vielen Dank für die Antworten. Also Geduld haben. Selbst (noch) nicht gut genug sein wird, die neuen Teleskope werden auf jeden Fall beeindruckende Bilder liefern.
Lieber noch mal durchlesen vor dem Abschicken -.-
„Selbst wenn die Auflösung (noch) nicht gut genug sein wird…“
@Florian
Interessant, dass man keine Bänderstrukturen wie bei Jupiter gefunden hat. Wie schnell rotiert der Stern denn?
Vermutlich ist diese Abbildungsmethode aber auch blind für Strukturen, die parallel zum Äquator verlaufen, weil sie permanent vorhanden sind und stets das gleiche Dopplerprofil verursachen. Auf Jupiter würde man beispielsweise den Großen Roten Fleck nachweisen können, aber nicht die großen äquatorialen und tropischen Bänder. Ist dem so?
@Alderamin: „Interessant, dass man keine Bänderstrukturen wie bei Jupiter gefunden hat. Wie schnell rotiert der Stern denn?“
5 Stunden, wenn ich das im paper richtig gelesen habe…
„Vermutlich ist diese Abbildungsmethode aber auch blind für Strukturen, die parallel zum Äquator verlaufen, weil sie permanent vorhanden sind und stets das gleiche Dopplerprofil verursachen. Auf Jupiter würde man beispielsweise den Großen Roten Fleck nachweisen können, aber nicht die großen äquatorialen und tropischen Bänder. Ist dem so?“
Würde ich auch so sagen. Ich bin aber kein Experte für Sternatmosphären bzw. braune Zwerge. Die Sonne hat ja auch nur Flecken und keine Bänder – vielleicht ist das bei braunen Zwergen so ähnlich? Wenn der noch fusioniert kommt ja von innen jede Menge Energie raus. Wenn der voll konvektiv ist, stört das vielleicht die Bildung von Bändern?
Aber wie gesagt, ich bin da kein Experte…
Ich habe mal versucht das grob zu überschlagen. Man bräuchte wohl eine ca 100.000fach größere Auflösung (~ 0,0000001″) als das VLTI um erste Details auf dem Braunen Zwerg erkennen zu können.
Was mich interessieren würde: Gibt es um braune Zwerge eigentlich eine habitable Zone? Ist sind die zu kalt dafür?
@Manuel: „Gibt es um braune Zwerge eigentlich eine habitable Zone? „
Na ja, wenn, dann keine dauerhafte. Denn so ein brauner Zwerg kann nur vergleichsweise kurz fusionieren – und keine Milliarden Jahre wie ein Stern. Planeten um braune Zwerge hat man schon gefunden. Aber habitabel wird da nix sein…
@Florian
Jupiter braucht knapp 10 h für eine Umdrehung, dagegen ist der Braune Zwerg ja sehr flott. Und Jupiter entwickelt diese Bänder, so viel ich weiß, auch nur deswegen, weil er Konvektion hat und sich schnell dreht – ein extremer Coriolis-Effekt. Könnte also bei einem Braunen Zwerg ähnlich sein.
Die Sonne dreht sich vergleichsweise viel langsamer und besteht überall aus dem gleichen Plasma, da gibt’s keine sichtbaren Bänder. Andererseits gibt es Strömungen des Plasmas parallel zum Äquator (am Äquator dreht sie sich bekanntlich schneller), und die Flecken treten in bestimmten, sich während des Sonnenzyklus verschiebenden Breiten auf. So betrachtet gibt es auch so etwas wie „Bänder“ auf der Sonne. Nur nicht im visuellen.
Jedenfalls mehr als ich 😉
@Silava
Ich glaube, wir sind beide etwas zu pessimistisch.
Jupiter ist ca. 4-6 AU von der Erde entfernt, sagen wir 5. Auf Jupiter kann man im Amateurfernrohr bei 1″ Auflösung die Hauptwolkenbänder und den roten Fleck sehen, manchmal auch kleinere Strukturen, sowie die Schatten der Monde.
Der braune Zwerg ist hingen 6,5 Lichtjahre entfernt und dürfte ähnlich groß wie Jupiter sein. 1 Lichtjahr sind 9,46e+12 km, 1 AU sind 1,5e+8 km. 6,5 LJ sind dann 410000 AU oder 82000 mal die Entfernung zum Jupiter. Um gleiche Strukturen wie bei Jupiter mit 1″ aufzulösen, müsste man beim Braunen Zwerg also 1/82000 = 0,0000122″ auflösen – etwa eine hundertstel Millibogensekunde. Das VLTI schafft in etwa eine oder zwei Millibogensekunden bei maximal 200 Basislänge. Es fehlt ein Faktor 100. Also würden 20 km Basislänge schon reichen. Nicht soo utopisch. Aber auch nicht trivial. Das Licht durch 20 km Luft am Boden zu leiten dürfte allerlei Szintillation verursachen. Vielleicht per Glasfaser?
[…] Mittag habe ich über die erste Oberflächenkarte die von einem braunen Zwerg erstellt wurde berichtet. Wer noch ein bisschen mehr und vor allem detailliertere Informationen über die […]
@Alderamin:
Etwa Faktor 100 also. Wie schnell entwickelt sich die Teleskoptechnik denn ungefähr? Gibt’s da auch sowas wie Moore’s Law bei den integrierten Schaltkreisen?
Heute scheinen wir hier übrigens endlich mal ne klare, kalte Winternacht zu bekommen, warte schon seit Anfang Jänner drauf, endlich was mit dem Amateurfernrohr anzupeilen, hoffentlich bin ich nach dem Abendessen nicht wieder so müde…
@stone1
Ein Moore’sches Gesetz gibt es wohl nicht, aber bis zu den 1980ern stagnierten die Großteleskope so bei 5-6 m Öffnung, weil sie sich sonst unter ihrem eigenen Gewicht verzogen, und Fotoplatten waren das Mittel der Abbildung. Durch die Digitaltechnik kann man heute Spiegel aus beweglichen Segmenten bauen, die ihre Form durch elektronisch gesteuerte Aktuatoren einnehmen und sogar noch die Szintillation der Atmosphäre korrigieren können. Deswegen können die Teleskope nun plötzlich sehr viel größer werden: 8 m, 10 m, Kombination mehrerer 8 m-Teleskope, 24 m, 30 m, ja sogar von 100 m Öffnung war einmal die Rede.
Und digital erfasste Bilder können überlagert und mannigfaltig verarbeitet werden. Neulich wurde ein neuer Sensor entwickelt, der gleichzeitig Frequenz und Intensität von Photonen misst und somit das aufgefangene Licht gleich spektroskopieren kann.
Optische Interferometrie erlaubt schon Basislängen von hunderten Metern, da geht sicher noch mehr. Heutige Rechner können Mikrowellen digital interferieren lassen, vielleicht geht das irgendwann auch im Optischen, und dann sind dem Auflösungsvermögen kaum noch Grenzen gesetzt. Jedenfalls in der Theorie.
Es ist also mit einer Menge an Fortschritt zu rechnen. Der ist hauptsächlich der Digitaltechnik geschuldet.
Kurze Frage florian:
Ist das ein maximum likelihood fit eines modells auf den Stern? Also liegt dem ganzen ein theoretischer Unterbau zugrunde der sagt, wie sich ein brauner Zwerg verhalten muss und wird dann einfach geshcaut, welches set von parametern dann am Besten zu den Beobachtungen passt?
Wenn ja, gibt es dann nicht einen inhärenten Bias? Wir wissen ja nicht, wie ein brauner Zwerg ausschaut, also ist das Modell erstmal nur ein educated guess.
@ulfi: „Ist das ein maximum likelihood fit eines modells auf den Stern? „
Naja, ein bisschen Modellierung ist schon dabei. Aber im Prinzip kommen die Modelle aus der Physik – man kann ja gut berechnen, wie sich Spektrallinien mit der Temperatur und der Rotationsgeschwindigkeit ändern. Da muss man erstmal nichts über die Eigenschaften des Sterns annehmen; das folgt aus grundlegenderen Prinzipien.
@Alderamin:
Verstehe, wie in so ziemlich allen naturwissenschaftlichen Forschungsgebieten verheißt auch in der optischen Astronomie das exponentielle Wachstum in der Computertechnologie tolle Fortschritte. Allerdings stimmt was mit dem Link zum erwähnten neuen Sensor nicht, der ist nicht klickbar.
Danke trotzdem. Und klare Winternächte haben auch einen klaren Nachteil: sie sind saukalt. 😉
@Aldemarin: „Der braune Zwerg… dürfte ähnlich groß wie Jupiter sein.“
Ich dachte, der müsse mindestens 13x schwerer sein, um rudimentär fusionieren zu können. Schwerer klingt für mich gleich grösser, sind doch beides Gaskugeln? Was habe ich falsch verstanden?
@stone1
Hier nochmal der Link:
https://www.skyandtelescope.com/community/skyblog/newsblog/Will-This-Cutting-Edge-Technology-Transform-Astronomy-231170371.html
@Hammster
Nein, Braune Zwerge sind unabhängig von ihrer Masse (13 bis 75 Sonnenmassen) alle ungefähr gleich groß (wie Jupiter), nur werden sie mit zunehmender Masse immer dichter, im Inneren stehen die Atomkerne immer enger zusammen.
https://de.wikipedia.org/wiki/Brauner_Zwerg#Gr.C3.B6.C3.9Fe
https://www.nasa.gov/centers/ames/news/releases/2002/02images/dwarves/dwarves.html
@Alderamin:
Danke nochmal. Was man mit Supraleitung alles machen kann, hören sich technisch beeindruckend an, diese ARCONS.
@Alderamin#12:
Dementsprechend wurde in weiser Voraussicht der Bauort der E-ELT gewählt in 20km Entfernung zum VLT.
Da auch der Schutzbereich über beide Sites ausgeweitet wurde, spricht wohl auch nichts gegen eine optische Kopplung, denke ich.
@Kryptonoob
Dann hätte man aber nur eine einzige Baseline, hohe Auflösung nur in einer Dimension. Reichte zum Messen von Sterndurchmessern. Man bräuchte wenigstens noch ein drittes Gerät auf einer anderen Achse.
Anscheinend ist jedoch nichts dergleichen vorgesehen. In einem fast 300-seitigen Proposal zum E-ELT ist nicht die Rede von irgendwelcher Interferometrie (außer zum Test des Hauptspiegels). Schade.