15: Braune Zwerge

Sterne und Planeten sind doch eigentlich ganz klar voneinander zu trennen. Sterne leuchten, Planeten nicht. Sterne sind viel größer als Planeten. Im Kern von Sternen verschmelzen Wasserstoffatomkerne zu Heliumatomkernen (siehe Weltallwissend 01 „Der Tod der Sonne“), in Planeten geschieht das nicht. Doch tatsächlich gibt es einige Objekte, die sich hinsichtlich ihrer Größe und Masse genau zwischen Planeten und Sternen befinden und weder „richtige“ Sterne noch „richtige“ Planeten sind – willkommen in der Welt der „Braunen Zwerge“!

Um zu erklären, was es mit diesen Braunen Zwergen auf sich hat, muss ich die Kernfusion, die ich bereits im ersten Weltallwissend-Beitrag erklärt habe, nochmal kurz wiederholen: Im Kern von Sternen ist es so dicht und heiß, dass die Wasserstoffatomkerne zu Helium verschmelzen. Die Wasserstoffatomkerne bestehen dabei aus einem Proton und die Heliumatomkerne aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Dieser Prozess, das Wasserstoffbrennen, setzt ab einer Masse von ungefähr 75 Jupitermassen ein, dieser Wert variiert jedoch ein wenig, abhängig von der Zusammensetzung des Sterns.

Ein Zwischenschritt bei der Kernfusion ist das Deuterium, auch „schwerer Wasserstoff“ genannt, das aus einem Proton und einem Neutron besteht. Dieses Deuterium wird dann also zu Helium fusioniert, doch diese „Deuteriumfusion“ setzt schon ab einer Masse von 13 Jupitermassen ein.

Vielleicht ahnen ein paar von euch schon, worauf ich hinausmöchte: Die „eigentliche“ Kernfusion setzt zwar erst ab 75 Jupitermassen ein, doch bei allen Objekten, die zwischen 13 und 75 Jupitermassen schwer sind, wird das im Objekt vorhandene Deuterium zu Helium verschmolzen, wobei auch ein wenig Energie freigesetzt wird, wenn auch deutlich weniger als bei echten Sternen. Diese Körper sind es, die wir als „Braune Zwerge“ bezeichnen!

Wie Braune Zwerge entstehen, ist noch nicht eindeutig geklärt, es gibt aber auf jeden Fall mehrere Möglichkeiten dafür. Zum Beispiel können sie ganz ähnlich wie gewöhnliche Sterne entstehen – in einer Gaswolke, die in sich zusammenfällt, bis im Zentrum die Kernfusion einsetzt. Bei Braunen Zwergen könnte es nun sein, dass die Masse der Wolke aus irgendeinem Grund nicht für das Wasserstoffbrennen, sondern nur für die Deuteriumfusion ausreicht. Es können aber auch stattdessen in der Nähe Sterne vorbeiziehen und dem entstehenden Stern durch ihre Gravitationskraft Material stehlen, bevor die Kernfusion einsetzt.

Eine ganz andere, aber ebenfalls mögliche Weise, wie Braune Zwerge entstehen können, ist die typische Entstehungsart der Planeten: in der Akkretionsscheibe um einen jungen Stern. Wenn hierbei ein Planet mehr als 13 Jupitermassen anhäuft, setzt in ihm die Deuteriumfusion ein und wir sprechen von einem Braunen Zwerg. (Mehr über die Planetenentstehung werdet ihr im nächsten Weltallwissend-Beitrag am 27.9.2020 erfahren.)

Während Sterne normalerweise eine Schalenstruktur entwickeln, ist das bei Braunen Zwergen nicht der Fall. Ihr Material wird vom Kern bis zur Oberfläche die ganze Zeit gut durchgemischt. Astronomen vermuten jedoch aufgrund ihrer Beobachtungen, dass ältere Braune Zwerge eine Atmosphäre ausbilden könnten.

Erstmals hatte Shiv Kumar im Jahr 1963 die Idee, dass bei der Sternentstehung auch „verhinderte Sterne“ entstehen könnten, in denen die Wasserstofffusion nicht einsetzt. 1975 schlug Jill Tarter den Namen „Brauner Zwerg“ für diese Objekte vor und in den 1980er-Jahren machten sich schließlich viele Astronomen auf die Suche nach diesen Objekten. Sie wollten die Braunen Zwerge dabei über ihre schwache Leuchtkraft nachweisen, jedoch muss man für die Bestimmung der „absoluten Helligkeit“, also gewissermaßen die Helligkeit „vor Ort“, wissen, wie weit ein Stern von uns entfernt ist. (siehe Weltallwissend 9 „Entfernungsmessung in der Astronomie: Wie weit ist es zu den Sternen?“)

In den 1980er-Jahren nahmen Astronomen also viele Anläufe, Braune Zwerge, deren Entfernung von uns bestimmt werden konnte, nachzuweisen. Jedoch wurde bei den meisten Fällen später eine falsche Entfernungsmessung nachgewiesen.

Erst 1995 wurde der erste Braune Zwerg zweifelsfrei nachgewiesen – nun jedoch nicht auf Grundlage seiner Leuchtkraft und damit seiner Entfernung, sondern mithilfe von zwei anderen Methoden. Zum einen umkreist Gliese 229B, so heißt der Braune Zwerg, einen Roten Zwergstern. Durch die gravitative Interaktion der beiden konnten Astronomen die Masse der beiden Körper berechnen – und dabei entdeckten sie, dass Gliese 229B zwischen 20 und 50 Jupitermassen schwer ist!

Zum anderen untersuchten die Astronomen das Spektrum des Himmelskörpers (mehr zur Spektralanalyse bei Weltallwissend 3: „Dunkle Linien im Sonnenspektrum und die Entdeckung des Heliums“). Dadurch konnten sie Methan auf Gliese 229B nachweisen. Dieses zerfällt jedoch bei Temperaturen, die über 1200°C liegen und kann daher in „richtigen“ Sternen nicht existieren. Bei Gliese 229B musste es sich also um einen Braunen Zwerg handeln!

Zum Abschluss möchte ich euch noch von einem großen Rätsel der Astronomie erzählen, von dem Braune Zwerge möglicherweise zumindest einen Teil der Lösung bieten könnten: Ich spreche von der Dunklen Materie.

Aus den Bewegungen von Galaxien haben Wissenschaftler berechnet, dass sich in diesen Galaxien noch viel mehr Masse befinden muss, als sie in den Galaxien beobachten. Die Sterne in den äußeren Bereichen der Galaxien haben nämlich eine so hohe Geschwindigkeit, dass sie bei der Masse, die wir in den Galaxien vermutet haben, einfach auf Nimmerwiedersehen davonfliegen würden – und das tun sie nun mal nicht! Dieser Masse, die da also noch irgendwo sein muss und von der wir keine Ahnung haben, was sie eigentlich ist, gaben Astronomen dann ganz einfach den Namen „Dunkle Materie“.

Doch was ist Dunkle Materie eigentlich? Dazu gibt es inzwischen viele unterschiedliche Theorien und viele gehen davon aus, dass die Lösung eine Kombination aus diesen Theorien sein könnte. Ein großer Teil dieser Theorien beschäftigt sich mit Teilchen, die wir wirklich einfach nicht sehen können, da sie nicht mit Licht wechselwirken. Viele versuchen jedoch, die Dunkle Materie zumindest teilweise mithilfe von Objekten zu erklären, die wir schon kennen, aber schlecht beobachten können und von denen es daher deutlich mehr geben könnte, als wir vermuten. Und da kommen die Braunen Zwerge ins Spiel: Da sie so dunkel sind, ist es schließlich ziemlich schwer, sie zu entdecken. Zwar bringen sie vergleichsweise wenig Masse auf die Waage, aber sehr viele Braune Zwerge könnten einer Galaxie auch sehr viel mehr Masse geben. Auch wenn sie die Dunkle Materie wohl nicht zu 100% erklären könnten, könnten sie zumindest einen Teil der unbekannten Masse beitragen.

Ihr seht, in Bezug auf Braune Zwerge gibt es noch viele offene Fragen. Das liegt einfach daran, dass wir sie eben so schlecht beobachten können, weil sie so dunkel sind. Wir können daher ja nicht einmal abschätzen, wie viele es von ihnen gibt. Doch ich bin mir sicher, dass in den nächsten Jahren und Jahrzehnten noch einige dieser Objekte entdeckt werden. Vielleicht bleiben sie dann kleine, unbedeutende Körper, die für andere Bereiche der Astronomie kaum eine Rolle spielen. Doch vielleicht werden sie noch eine sehr große Rolle spielen, wenn es um so große Rätsel der Astronomie geht wie etwa das der Dunklen Materie…

Quellen: