Eine Illustration der starken Stürme und Silikatwolken in der Atmosphäre der Braunen Zwerge (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/University of Western Ontario/Stony Brook University/Tim Pyle)
Das James Webb Weltraumteleskop (JWST) hat stürmisches Wetter am Himmel von zwei Braunen Zwergen entdeckt – der bisher detaillierteste Wetterbericht von solchen „gescheiterten Sternen“.
Die beiden Braunen Zwerge bilden ein binäres Paar namens WISE 1049AB, das 2013 vom Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) der NASA entdeckt wurde; das Duo befindet sich nur 6,5 Lichtjahre von uns entfernt. Sie sind die sonnennächsten Braunen Zwerge und damit ein hervorragendes Ziel für die leistungsstarken Infrarotinstrumente des James Webb Space Telescope.
Ein Brauner Zwerg ist ein Objekt, das nicht massiv genug ist, um die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium in seinem Kern zu zünden und ein vollwertiger Stern zu werden – aber auch zu massiv, um ein Planet zu sein, und von dem man annimmt, dass es wie ein Stern entsteht (durch den Gravitationskollaps einer Wolke aus molekularem Gas). Braune Zwerge werden daher als fehlendes Bindeglied zwischen Gasriesenplaneten wie Jupiter und den Sternen mit der geringsten Masse, den M-Zwergen, betrachtet.
Vorherige Beobachtungen haben die Atmosphäre verschiedener Brauner Zwerge untersucht, aber sie waren immer auf zeitlich gemittelte Momentaufnahmen beschränkt, was bedeutet, dass wir nicht sehen konnten, wie sich die Atmosphäre eines Braunen Zwergs mit der Zeit verändert. Braune Zwerge sind jedoch schnelle Rotatoren – WISE 1049A dreht sich alle 7 Stunden um seine Achse, B alle 5 Stunden – und die Bedingungen in ihren Atmosphären können sich im Laufe der Zeit verändern, was bedeutet, dass frühere Beobachtungen, die die Entwicklung der Objekte nicht berücksichtigten, viele Schwankungen übersehen haben könnten.
Das JWST ist jedoch in der Lage, diese Veränderungen über einen längeren Zeitraum zu erkennen. Ein Team unter der Leitung von Beth Biller von der Universität Edinburgh beobachtete WISE 1049AB acht Stunden lang mit dem Mid-Infrared Instrument (MIRI) des JWST und unmittelbar danach weitere sieben Stunden lang mit dem Near-Infrared Spectrometer (NIRSpec).
Die Forscher fanden heraus, dass beide Braunen Zwerge von turbulenten Wolken bedeckt sind, die wahrscheinlich aus Silikatkörnern bestehen und bei Temperaturen zwischen 875 Grad Celsius und 1.026 Grad Celsius schwitzen. Mit anderen Worten: Der heiße Sand wird von den Winden der Braunen Zwerge verweht. Die Absorptionssignaturen von Kohlenmonoxid, Methan und Wasserdampf wurden ebenfalls identifiziert.
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Interessanterweise weist die Lichtkurve jedes Braunen Zwerges (ein Diagramm der Helligkeit jedes Braunen Zwerges über die Zeit) erhebliche Schwankungen auf. Dies wurde als stürmische Bedingungen interpretiert, die Wolken in verschiedenen Höhen aufwirbeln, und als Lücken zwischen diesen Wolken, die Einblicke in tiefere Schichten der Atmosphäre ermöglichen. Die Lichtkurven zeigen auch Spitzen bei bestimmten Wellenlängen – Kohlenmonoxid bei 2,3 Mikrometer und 4,2 Mikrometer (Millionstel Meter), Methan bei 3,3 Mikrometer und Silikatkörner vermutlich bei 8,3 Mikrometer bis 8,5 Mikrometer.
Eine künstlerische Darstellung der beiden Braunen Zwerge, die das System WISE 1049AB bilden, wobei einer der Braunen Zwerge in der Ferne zu sehen ist. (Bildnachweis: ESO/I. Crossfield/N. Risinger)Das Team von
Biller interpretiert die Spitzenwerte bei diesen Wellenlängen als Hinweis auf drei verschiedene Schichten, in denen sich der atmosphärische Druck auf jedem Braunen Zwerg deutlich verändert. Es gibt eine tiefe Schicht, die Signale von mehr als 2,3 Mikrometer, aber weniger als 8,5 Mikrometer erzeugt, eine Schicht in mittlerer Höhe, die Licht zwischen 2,3 und 4,2 Mikrometer absorbiert, und eine Schicht in großer Höhe, die Signale zwischen 4,2 und 8,5 Mikrometer zeigt.
Die Ergebnisse zeigen, dass das JWST in der Lage ist, zum ersten Mal das vertikale Profil (d. h. die Bedingungen in verschiedenen Tiefen) der Atmosphäre eines Braunen Zwergs zu untersuchen, und in der Tat gibt es keinen Grund, warum das JWST dort aufhören muss. In dem Forschungspapier, in dem die Ergebnisse beschrieben werden, heißt es dazu: „Dies ist die erste Studie dieser Art, wird aber nicht die letzte sein – in den nächsten Beobachtungszyklen wird JWST unser Verständnis sowohl der Atmosphären von Braunen Zwergen als auch von jungen, riesigen Exoplaneten verändern.“
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass wir an der Schwelle zu einem neuen Verständnis von Welten weit jenseits unserer eigenen stehen“, sagte Biller in einer Erklärung. „Erkenntnisse wie diese können uns helfen, die Bedingungen nicht nur auf Himmelsobjekten wie Braunen Zwergen, sondern auch auf riesigen Exoplaneten außerhalb unseres Sonnensystems zu verstehen. Letztendlich könnten die Techniken, die wir hier verfeinern, die ersten Nachweise des Wetters auf bewohnbaren Planeten wie unserem eigenen, die andere Sterne umkreisen, ermöglichen.“
Die Ergebnisse wurden am 15. Juli in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.
