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Brauner Zwerg



Ein Brauner Zwerg ist ein kompaktes astronomisches Objekt, das mit einer Masse zwischen 13 und 75 Jupitermassenmassen eine Zwischenstellung zwischen Planeten und Sternen einnimmt, gleiches gilt für die im Inneren ablaufenden Prozesse. Braune Zwerge sind massereicher als planetare Gasriesen und masseärmer als stellare Rote Zwergsterne.

Table of contents
1 Abgrenzung
2 Entstehung
3 Eigenschaften Brauner Zwerge
4 Häufigkeit der Braunen Zwerge
5 Altersbestimmung junger Sternhaufen
6 Geschichte
7 Literatur
8 Weblinks

Abgrenzung

Der charakterisierende Prozess für einen Stern ist eine stabile Kernfusion von Wasserstoff im Inneren, die zumindest für einen Teil der Sternlebenszeit der Gravitationskraft entgegenwirkt und damit den Aufbau stabilisiert. Durch die gravitative Kontraktion während der Entwicklung erhöht sich im Kernbereich die Dichte, und durch die adiabatische Kompression die Temperatur. Steigt die Kerntemperatur über 3 Millionen Kelvin, setzt die Wasserstofffusion ein. Diese Mindesttemperatur wird bei einer ähnlichen Zusammensetzung wie der unserer Sonne bei einer Masse von etwa 0,07 Sonnenmassen bzw. 75 Jupitermassen erreicht, ab dieser Mindestmasse entsteht ein Stern. Die Massengrenze ist jedoch von der Metallizität abhängig und liegt für eine Metallizität von 0, dass heißt bei Objekten aus der Anfangsphase des Universums, bei etwa 90 Jupitermassen. Als Braune Zwerge werden Objekte eingestuft, die unter dieser Grenze liegen.

In Braunen Zwergen finden jedoch trotzdem Fusionsprozesse statt, da es einige Fusionsreaktionen gibt, die bereits bei niedrigeren Temperaturen ablaufen als die Wasserstofffusion. Dies sind im wesentlichen die Lithiumfusion, bei der ab etwa 65 Jupitermassen bzw. Kerntemperaturen über 2 Millionen Kelvin ein 7Lithiumkern mit einem Proton reagiert, und die Deuteriumfusion, bei der ab etwa 13 Jupitermassen ein Deuteriumkern und ein Proton zu einem 3Heliumkern verschmelzen. Seit Ende des 20. Jahrhunderts wird zur genaueren Definition der Braunen Zwerge meist das Fusionskriterium angewandt, das heißt man nennt alle Objekte Braune Zwerge, in denen Fusionsprozesse, mit Ausnahme der Wasserstofffusion, ablaufen. Die Massenuntergrenze liegt bei dieser Definition bei etwa 13 Jupitermassen, der Massengrenze für die Deuteriumfusion. Objekte mit einer geringeren Masse nennt man Planeten.

In den ersten Untersuchungen zu Braunen Zwergen wurde das Entstehungskriterium angewandt, man nannte alle Objekte Braune Zwerge, die wie die Sterne durch Kontraktion einer Gaswolke entstehen, in denen aber keine Wasserstofffusion einsetzt - im Gegensatz zu den Planeten, die in den Akkretionsscheiben der Sterne entstehen. Diese Definition ist jedoch sehr problematisch, da vor allem die Entstehungsgeschichte der leichteren Objekte, wenn überhaupt, nur mit sehr hohem Aufwand geklärt werden kann. Das Fusionskriterium wird zwar noch nicht allgemein verwendet, aber es wird Anfang des 21. Jahrhunderts deutlich häufiger verwendet als das Entstehungskriterium, das eigentlich nur noch von einigen älteren Pionieren dieses Forschungsgebiets angewandt wird.

Die Definition der Braunen Zwerge über das Fusionskriterium hat auch Auswirkungen auf die Definition der Planeten. Zum einen wurden Objekte gefunden, die wahrscheinlich weniger als 13 Jupitermassen aufweisen und nicht Teil eines Planetensystems sind, sondern sich frei um das Zentrum der Milchstraße bewegen. Da über die Herkunft dieser Objekte nichts bekannt ist, wird die neue Bezeichnung Planemo (planetary mass object) für diese Objekte vorgeschlagen. Zum anderen weisen viele Exoplaneten neben großen Massen, die teilweise sogar im Bereich der Braunen Zwerge liegen könnten, mit hohen Exzentritäten und geringen Abständen vom Zentralgestirn Bahnparameter auf, die man eher von einem stellaren Begleitern als von Planeten erwarten würde. Tatsächlich wird mindestens ein Exoplanet auch als Kandidat für einen Braunen Zwerg eingestuft. Bei den Objekten unter 13 Jupitermassen ist jedoch noch keine einheitliche Benennung absehbar.

Entstehung

Der Enstehungsprozess der Braunen Zwerge ist bisher noch nicht eindeutig geklärt, im Wesentlichen bestehen jedoch drei Möglichkeiten:

In der Sternentstehungsregion Chamaeleon I, die erst wenige Millionen Jahre alt ist, wurden 34 Braune Zwerge gefunden, bei dreien konnte zusätzlich eine Akkretionsscheibe nachgewiesen werden, die typisch für junge Sterne ist. Der Nachweis einer T-Tauri-Phase bei mehreren Braunen Zwergen, die bisher nur bei jungen Sternen auf ihrem Weg zur Hauptreihe bekannt war, ist ein weiterer Beleg für die gleiche Entstehungsgeschichte zumindest eines Teils der Braunen Zwerge.

Eigenschaften Brauner Zwerge

Braune Zwerge weisen eine vergleichbare Elementzusammensetzung auf wie Sterne, nur in Akkretionsscheiben entstandene Braune Zwerge hätten möglicherweise einen Gesteinskern; für diesen Entstehungsweg gibt es aber bisher noch keine Belege.

Für sehr leichte Zwergsterne stellt sich im Kern unabhängig von der Masse eine Gleichgewichtstemperatur von etwa 3 Millionen Kelvin ein, bei der die Wasserstofffusionsprozesse sprunghaft einsetzen. Die Konstanz der Temperatur bedeutet eine annähernde Proportionalität zwischen Masse und Radius, das heißt, je geringer die Masse, desto höher ist die Dichte im Kern. Bei steigender Kerndichte üben die Elektronen einen zusätzlichen Gegendruck gegen die gravitative Kontraktion aus, der durch eine teilweise Entartung der Elektronen aufgrund des Pauli-Prinzips hervorgerufen wird und zu einer geringeren Aufheizung des Kerns führt. Dies führt bei der Metallizität in der Umgebung der Sonne bei weniger als etwa 75 Jupitermassen dazu, dass die notwendigen Temperaturen zur Wasserstofffusion nicht mehr erreicht werden und ein Brauner Zwerg entsteht. Da weder der Verlauf der Degeneration der Elektronen noch die Eigenschaften der leichtesten Sterne in allen Aspekten verstanden sind, variieren die Literaturwerte zwischen 70 und 78, neuere Rechnungen liegen im Bereich von 72 bis 75 Jupitermassen. Aufgrund der quantenmechanischen Entartung der Elektronen nennt man die Braunen Zwerge, ebenso wie Weiße Zwerge, Neutronensterne und Scharze Löcher auch kompakte Objekte.

Die Fusionsprozesse liefern zwar bei jungen Braunen Zwergen einen Beitrag zur Energiebilanz, sie sind jedoch in keiner Entwicklungsphase mit dem Beitrag der Gravitationsenergie vergleichbar. Dies führt dazu, dass Braune Zwerge bereits gegen Ende der Akkretionsphase abzukühlen beginnen, die Fusionsprozesse verlangsamen diesen Prozess nur für etwa 10 bis 50 Millionen Jahre.

Temperaturtransport

Bei Braunen Zwergen bildet sich, wie auch bei Sternen mit weniger als 0,3 Sonnenmassen, im Gegensatz zu den schwereren Sternen keine Schalenstruktur aus. Sie sind vollständig konvektiv, das heißt es findet ein Materietransport vom Kern bis zur Oberfläche statt, der zu einer vollständigen Durchmischung führt und die Temperaturverteilung im gesamten Inneren bestimmt. Untersuchungen der Methanzwerge wie z.B. Gliese 229B legen allerdings die Vermutung nahe, dass bei älteren, kühleren Braunen Zwergen diese Konvektionszone nicht mehr bis zur Oberfläche reicht und sich stattdessen möglicherweise eine den Gasriesen ähnliche Atmosphäre ausbildet.

Größe

Die Entartung der Elektronen führt zu einer Massenabhängigkeit des Radius Brauner Zwerge von R ~ M-1/3, erst unterhalb der Massengrenze der Braunen Zwerge verliert die Degeneration an Bedeutung und es stellt sich bei konstanter Dichte eine Massenabhängigkeit von R ~ M+1/3 ein. Die schwache reziproke Massenabhängigkeit der Braunen Zwerge führt zu einem über den gesamten Massenbereich annähernd konstanten Radius, der in etwa dem Jupiterradius entspricht, wobei die leichteren Braunen Zwerge größer sind als die schwereren.

Spektralklassen

Die Spektralklassen, die für Sterne definiert sind, sind im engeren Sinne nicht auf Braune Zwerge anwendbar, da es sich nicht um Sterne handelt. Bei Temperaturen über 1800 bis 2000 K fallen sie bei der Beobachtung jedoch in den Bereich der L- und M-Sterne, da die optischen Eigenschaften nur von der Temperatur und der Zusammensetzung abhängen. Man wendet die Spektralklassen deshalb auch auf Braune Zwerge an, wobei diese allerdings keine direkte Aussage über die Masse, sondern nur über die Kombination von Masse und Alter liefert.

Ein schwerer junger Brauner Zwerg startet im mittleren M-Bereich bei etwa 2900 K und durchläuft alle späteren M- und L-Typen, leichtere Braune Zwerge starten bereits bei einem späteren Typ. Das untere Ende der Hauptsequenz ist nicht genau bekannt, es liegt aber vermutlich zwischen L2 und L4, d.h. bei Temperaturen unter 1800 bis 2000 K. Bei späteren, kühleren Typen handelt es sich mit Sicherheit um Braune Zwerge. Für die kühleren Braunen Zwerge wie z.B. Gliese 229B mit einer Temperatur von etwa 950 K wurde mit dem T-Typ eine weitere Spektralklasse eingeführt, die mit Temperaturen unter etwa 1450 K nicht mehr auf Sterne anwendbar ist. Da das Spektrum in diesem Temperaturbereich vor allem von starken Methanlinien geprägt ist, nennt man Braune Zwerge vom T-Typ meist Methanzwerge. Der derzeit kühlste Braune Zwerg, 2MASS J0415-0935, weist bei einer Temperatur von 600 bis 750 K als T9-Zwerg bereits Abweichungen von den anderen T-Zwergen auf, so dass bei der Entdeckung kühlerer Objekte sehr wahrscheinlich eine weitere Spektralklasse eingeführt werden muss. Vor 2MASS J0415-0935 galt Gliese 570D mit etwa 800 K als kühlster bekannter Brauner Zwerg.

Häufigkeit der Braunen Zwerge

Es gibt eine einfache Massenfunktion zur Beschreibung der relativen Anzahl von sternähnlichen Objekten bezüglich ihrer Masse, die stellare Anfangsmassenfunktion bzw. Initial Mass Function oder kurz IMF. Diese Massenfunktion sollte sich unverändert in den Bereich der schwereren Braunen Zwerge fortsetzen, da zumindest die Anfangsphase des Sternentstehungsprozesses mit dem Kollabieren einer Gaswolke unabhängig von der Art des entstehenden Objekts ist, dass heißt die Wolke kann nicht "wissen", ob am Ende ein Stern oder ein Brauner Zwerg entsteht. Diese Massenfunktion wird jedoch im Bereich der leichteren Braunen Zwerge Abweichungen zeigen, da zum einen auch die anderen Entstehungsprozesse (siehe Abschnitt Entstehung) einen Beitrag liefern könnten, und zum anderen nicht viel über die Mindestmassen der Objekte bekannt ist, die bei Sternentstehungsprozessen entstehen können. Eine genaue Bestimmung der Häufigkeit bzw. der Massenfunktion der Braunen Zwerge ist deshalb nicht nur für die Entstehungsprozesse der Braunen Zwerge wichtig, sondern trägt auch zum Verständnis der Sternentstehungsprozesse im allgemeinen bei.

Seit der Entdeckung von Gliese 229B wurden mehrere hundert Braune Zwerge gefunden, vor allem bei den Sterndurchmusterungen 2MASS (2 Micron All Sky Survey), DENIS (DEep Near Infrared Sky survey) und SDSS (Sloan Digital Sky Survey) sowie bei intensiven Durchmusterungen von Offenen Sternhaufen und Sternenstehungsgebieten.

Nachweismethoden

Braune Zwerge haben eine sehr niedrige Leuchtkraft und sind deshalb schwer zu beobachten, in frühen Entwicklungsstadien sind sie zudem leicht mit Roten Zwergen zu verwechseln. Für den eindeutigen Nachweis von Braunen Zwergen bestehen mehrere Möglichkeiten:

;Leuchtkraft :In Braunen Zwergen spielen Fusionsprozesse bei der Energiefreisetzung nur eine untergeordnete Rolle, die Leuchtkraft dieser Objekte nimmt deshalb im Laufe der Entwicklung ab. Liegt die gemessene Leuchtkraft unter der der leichtesten Sterne, die dem 10-4-fachen der Sonnenleuchtkraft entspricht, dann kann es sich nur um einen Braunen Zwerg handeln. Die Leuchtkraft ist allerdings nur dann als Kriterium anwendbar, wenn die Entfernung bekannt ist, wie z.B. in Sternhaufen. Diese Methode wurde bei den ersten Anläufen zum Nachweis Brauner Zwerge in den 1980ern angewandt und hat sich als sehr unzuverlässig erwiesen, bei den meisten gefundenen Kandidaten konnte später eine falsche Entfernungsbestimmung nachgewiesen werden.

;Temperatur :Der Leuchtkraft L kann über das Stefan-Boltzmann-Gesetz eine effektive Oberflächentemperatur Teff zugeordnet werden mit Teff ~ L-4, die sich jedoch deutlich weniger ändert als die Leuchtkraft. Die Temperatur kann jedoch sehr leicht aus dem Spektrum des Objekts bestimmt werden. Ist die gemessene Temperatur signifikant niedriger als die Minimaltemperatur von etwa 1800 K bei Sternen, kann es sich nur um Braune Zwerge handeln.

;Masse :Bei Doppelsystemen mit einem Braunen Zwerg kann man die Masse über die Vermessung der Bewegung um den gemeinsamen Schwerpunkt bestimmen, auch wenn der Braune Zwerg selbst nicht beobachtet werden kann, eine Situation, wie sie ähnliche auch bei Exoplaneten besteht. Die direkte Bestimmung der Masse ist die einzige Möglichkeit, junge Braune Zwerge an der oberen Massegrenze nachzuweisen.

;Methan :In der Atmosphäre Brauner Zwerge können sich komplexere Moleküle, vor allem Methan, bilden. Da dies in Sternatmosphären nicht möglich ist, kann durch den Nachweis von Methan in den Spektren eindeutig auf einen Braunen Zwerg geschlossen werden. Es handelt sich dann um einen alten und kühlen Braunen Zwerg vom T-Typ.

;Lithium :Der Nachweis von neutralem Lithium im Spektrum bietet eine sehr gute Möglichkeit, Braune Zwerge zu identifizieren und ist in einem sehr weiten Bereich anwendbar. Der Lithiumtest wurde 1992 von Rafael Rebolo vorgeschlagen und von Gibor Basri 1996 erstmals angewandt.

Lithiumtest

Bei Massen von mehr als 65 Jupitermassen wird 7Lithium in 4Helium umgesetzt. Dieser Prozess hält bei sehr leichten Sternen etwa 50 und bei Braunen Zwergen etwa 50 bis 250 Millionen Jahre an, bis der Lithiumvorrat aufgebraucht ist. Da leichte Sterne genau wie Braune Zwerge vollständig konvektiv sind, nimmt die Lithiumhäufigkeit im Gegensatz zu schwereren Sternen wie z.B. der Sonne nicht nur im Fusionsbereich des Kerns ab, sondern kann direkt an der Oberfläche beobachtet werden. Der Lithiumnachweis allein liefert aber kein eindeutiges Ergebnis, zum einen ist Lithium auch in sehr jungen Sternen nachweisbar, zum anderen ist bei älteren Braunen Zwergen mit Massen von mehr als 65 Jupitermassen kein Lithium mehr nachweisbar.

Kann man jedoch in einem sternähnlichen Objekt mit einer Temperatur von weniger als 2800 K ausgeprägte 7Lithium-Linien nachweisen, handelt es sich eindeutig um einen Braunen Zwerg. Die Linien des neutralen Lithium liegen zudem im roten Spektralbereich und sind deshalb auch mit irdischen Teleskopen sehr gut zu untersuchen. Durch die gute Nachweisbarkeit hat sich diese Methode als Standard zum Nachweis Brauner Zwerge etabliert.

Verteilung

Sternhaufen

Es wurden bereits viele Braune Zwerge in jungen Sternhaufen wie z.B. den Plejaden nachgewiesen, aber es ist bisher noch kein Haufen komplett durchsucht worden. Zudem sind in diesen Bereichen viele weitere Kandidaten bekannt, deren Zugehörigkeit zu den Braunen Zwergen bzw. dem Sternhaufen selbst noch nicht geklärt sind. Erste Analysen sind im Rahmen der Fehlerabschätzung mit der stellaren Massenfunktion vereinbar, jedoch gibt es teilweise starke Abweichungen. Es ist noch zu früh, um daraus eindeutig auf eine veränderte Massenfunktion im Bereich der Braunen Zwerge zu schließen.

Sternentstehungsgebiete

In Sternentstehungsgebieten gestaltet sich der Nachweis Brauner Zwerge sehr schwierig, da sie sich aufgrund ihres geringen Alters und der damit verbundenen hohen Temperatur nur wenig von leichten Sternen unterscheiden, ein weiteres Problem in diesen Regionen ist der hohe Staubanteil, der durch hohe Extinktionsraten die Beobachtung erschwert. Die hier angewendeten Methoden sind stark modellabhängig, deshalb sind erst sehr wenige Kandidaten zweifelsfrei als Braune Zwerge bestätigt. Die bisher abgeleiteten Massenfunktionen weichen zum großen Teil sehr stark von der stellaren Massenfunktion ab, sind jedoch noch mit hohen Fehlern behaftet.

Doppelsysteme

Bei Systemen mit Braunen Zwergen bietet sich nach ersten Ergebnissen der Sterndurchmusterungen folgendes Bild:

Obwohl die Zahlenwerte der Ergebnisse noch sehr unsicher sind, gilt ein grundlegender Unterschied zwischen den beiden Systemen F-M0-Stern/Brauner Zwerg und L-Zwerg/Brauner Zwerg als sicher. Die Ursachen liegen vermutlich im Entstehungsprozess der Braunen Zwerge, vor allem die Anhänger der "verstoßenen Sternembryos", dass heißt der Entstehung in einem Mehrfachsystem und dem Hinauskatapulieren in einer frühen Entwicklungsphase, betrachten diese Verteilungen als natürliche Konsequenz dieser Theorie.

Isolierte Braune Zwerge

Die 2MASS- und DENIS-Durchmusterungen haben bereits hunderte von Braunen Zwergen gefunden, obwohl die Durchmusterungen noch nicht abgeschlossen sind. Erste Analysen deuten darauf hin, dass sich die stellare Massenfunktion sehr weit in den Bereich der Braunen Zwerge fortsetzt. Der Entstehungsprozess der Braunen Zwerge, mit Ausnahme der sehr leichten, scheint also sehr eng mit den Sternentstehungsprozessen zusammenzuhängen, die deshalb vermutlich auch die Population der Braunen Zwerge mit erklären müssen.

Altersbestimmung junger Sternhaufen

Der Lithiumtest liefert für Sternhaufen als "Nebeneffekt" eine Massengrenze bis zu der Lithium nachgewiesen werden kann, die lithium depletion boundary genannt wird. Mit dieser Masse kann man das Alter des Haufens bestimmen. Diese Methode funktioniert jedoch nur, wenn der Haufen jünger als etwa 250 Millionen ist, da diese Massengrenze sonst konstant bei 65 Jupitermassen liegt. Auf diese Weise hat man 1999 das Alter der Plejaden um mehr als 50 Prozent auf etwa 125 Millionen Jahre nach oben korrigiert. Vergleichbare Korrekturen erfolgten in der Folge für weitere Sternhaufen, unter anderem für α Perseus und IC 2391. Obwohl Braune Zwerge in größeren Entfernungen nur schwer nachweisbar sein werden und der Lithiumtest nur bei sehr jungen Haufen zur Altersbestimmung anwendbar ist, ermöglicht diese Methode trotzdem eine sehr gute Eichung anderer Datierungsmethoden (siehe Hauptreihen-Cutoff).

Geschichte

Shiv Kumar stellte 1963 erstmals Überlegungen an, dass beim Entstehungsprozess der Sterne auch Objekte entstehen könnten, die aufgrund ihrer niedrigen Masse nicht die zur Wasserstofffusion erforderliche Temperatur erreichen, der Name Brauner Zwerg wurde jedoch erst 1975 durch Jill Tarter vorgeschlagen. Der Name ist zwar im eigentlichen Sinne nicht richtig, da auch Braune Zwerge rot erscheinen, aber der Begriff Roter Zwerg war schon für die leichtesten Sterne vergeben.

In den 1980ern wurden verschiedene Anläufe unternommen, diese hypothetischen Körper zu finden, aber erst 1995 wurde mit Gliese 229B der erste Braune Zwerg zweifelsfrei nachgewiesen. Entscheidend hierfür waren zum einen deutliche Fortschritte in der Empfindlichkeit der Teleskope, zum anderen wurden aber auch die theoretischen Modelle verbessert, die eine bessere Unterscheidung zu schwach leuchtenden Sternen ermöglichten. Innerhalb weniger Jahre wurden mehrere hundert Braune Zwerge nachgewiesen, die Anzahl weiterer möglicher Kandidaten liegt ebenfalls in dieser Größenordnung. Die sonnennächsten Braunen Zwerge (Anfang 2004) bilden das Epsilon Indi B-Doppelsystem in 11,8 Lichtjahren Entfernung.

Die Untersuchung der Braunen Zwerge steht noch am Anfang, hat aber, vergleichbar der Öffnung neuer Beobachtungsfenster oder der Entdeckung anderer neuer Effekte, bereits heute viel zu unserem Wissen und Verständnis des Universums beigetragen.

Siehe auch: Portal Astronomie - Astronomie

Literatur

Weblinks


Beurteilung:
Exzellenter Artikel



     
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