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Ein brauner Zwerg umkreist in dieser Abbildung einen hellen Stern (Bildnachweis: ESA)

Wissenschaftler haben acht lichtschwache Objekte, die sehr helle Sterne im Gaia-Datenkatalog begleiten, direkt abgebildet, darunter so genannte „gescheiterte Sterne“, auch bekannt als braune Zwerge.

Die Sterne und ihre Begleiter wurden ursprünglich aus Millionen von Sternen im Gaia-Katalog identifiziert. Sie wurden als ideal für Folgeuntersuchungen mit dem bodengestützten GRAVITY-Instrument angesehen, einem fortschrittlichen Nahinfrarot-Interferometer am Very Large Telescope (VLT) auf dem Gipfel des Cerro Paranal in Chile. Durch die Kombination des Infrarotlichts mehrerer Teleskope, ein Prozess, der als Interferometrie bezeichnet wird, ist GRAVITY bereits die erste direkte Beobachtung eines extrasolaren Planeten oder „Exoplaneten“ gelungen.

Im Anschluss an die Gaia-Beobachtungen entdeckte GRAVITY direkt Lichtsignale von Begleitern um die acht hellen Sterne, von denen sieben theoretische Objekte waren, die bisher unentdeckt geblieben waren.

Drei der Begleitobjekte sind kleine und schwache Sterne, die anderen fünf sind braune Zwerge. Letztere bilden sich wie Sterne und haben mehr Masse als Gasriesenplaneten, verfügen aber nicht über genügend Masse, um in ihren Kernen die Fusion von Wasserstoff zu Helium auszulösen, wie es bei Hauptreihensternen der Fall ist. Daher rührt auch ihr Spitzname „gescheiterte Sterne“.

Einer der von GRAVITY entdeckten Braunen Zwerge umkreist seinen Mutterstern in einer Entfernung, die in etwa der Entfernung zwischen Erde und Sonne entspricht. Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, ein Bild eines schwachen Begleiters aufzunehmen, selbst wenn er sehr nahe an seinem hellen Wirtsstern kreist“, sagte der Leiter des Teams und Wissenschaftler der Europäischen Südsternwarte (ESO) Thomas Winterhalder in einer Erklärung. „Diese Leistung unterstreicht die bemerkenswerte Synergie zwischen Gaia und GRAVITY. Nur Gaia kann solch enge Systeme identifizieren, die einen Stern und einen ‚versteckten‘ Begleiter beherbergen, und dann kann GRAVITY die Aufgabe übernehmen, das kleinere und schwächere Objekt mit beispielloser Genauigkeit abzubilden.“

Ein Glühwürmchen auf einem Leuchtturm

Die direkte Beobachtung von lichtschwachen Objekten wie kleinen, schwachen Sternen oder braunen Zwergen in der Nähe heller Sterne ist keine leichte Aufgabe. Ihre Lichtsignale zu erkennen ist in der Tat so, als würde man das Licht eines Glühwürmchens sehen, das auf einem leuchtenden Leuchtturm sitzt. Verständlicherweise wird jeder Versuch, das Licht des Glühwürmchens abzubilden, durch das hellere Licht des Leuchtturms ausgelöscht, und das Gleiche gilt für helle Sterne und ihre schwachen Begleiter.

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Auch wenn Gaia die schwachen Begleiter dieser Sterne nicht direkt erkennen kann, war das Weltraumteleskop in der Lage, auf ihre Anwesenheit zu schließen. Wenn ein Brauner Zwerg oder generell ein kleiner Stern einen größeren, helleren Stern umkreist, wirkt seine Schwerkraft auf den Mutterstern ein, was zu einem „Wackeln“ der Bewegung des größeren, helleren Sterns führt.

Wenn der Stern sich von der Erde (und Gaia) entfernt, dehnt sich die Wellenlänge des Lichts aus und verschiebt es zum roten Ende des elektromagnetischen Spektrums. Umgekehrt verkürzt sich die Wellenlänge des Lichts, wenn er zur Erde hin wackelt, wodurch sich das Licht zum blauen Ende des elektromagnetischen Spektrums hin verschiebt.

Dieser Rotverschiebungs- und Blauverschiebungseffekt ist vergleichbar mit der Dopplerverschiebung, dem Phänomen, das die Schallwellen auf der Erde beeinflusst. Wenn zum Beispiel ein Krankenwagen mit heulender Sirene auf Sie zurast, werden die Schallwellen komprimiert, und die Sirene hat einen höheren Ton, was einer Blauverschiebung gleichkommt. Wenn der Krankenwagen an Ihnen vorbeifährt, dehnen sich die Wellenlängen des Schalls aus, und die Sirene hat einen tiefen Ton, genau wie die Rotverschiebung des Lichts des Sterns, wenn er sich entfernt.

Eine Illustration des Dopplereffekts. Wenn sich der Krankenwagen vom Fußgänger entfernt, wird der Schall gedehnt und hat eine niedrige Frequenz. Bei der Annäherung werden die Schallwellen komprimiert und die Sirene ist hochfrequent (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Dieser Rotverschiebungs- und Blauverschiebungseffekt ist winzig, aber Gaia ist empfindlich genug, um ihn zu erkennen. Die kleinen Begleiter dieser Sterne in der Gaia-Stichprobe liegen in einem winzigen Abstand von einigen Dutzend Millibogensekunden von ihren hellen stellaren Eltern, was etwa der Größe eines Viertels aus einer Entfernung von etwa 100 Kilometern entspricht.

„Bei unseren Beobachtungen dienen die Gaia-Daten als eine Art Wegweiser“, erklärt Thomas. „Der Teil des Himmels, den wir mit GRAVITY sehen können, ist sehr klein, also müssen wir wissen, wo wir hinschauen müssen. Gaias unvergleichlich präzise Messungen der Bewegungen und Positionen von Sternen sind wichtig, um unser Instrument in die richtige Richtung am Himmel zu lenken.“

Die Zusammenarbeit von Gaia und GRAVITY half dem Team, über die bloße Entdeckung dieser Begleiter hinauszugehen. Die beiden Datensätze ermöglichten es dem Team auch, die Massen der Sterne und die Massen der Begleiter zu trennen. Durch die Messung der Unterschiede in den Wellenlängen des Lichts der Sterne und ihrer Begleiter und die Kombination dieser Informationen mit den oben erwähnten Massenschätzungen konnte das Team außerdem auf das Alter der Begleiter schließen.

Dabei stellte sich heraus, dass die Braunen Zwerge bei den beobachteten Alters- und Massenwerten weniger leuchten als erwartet, was bedeutet, dass diese Körper selbst von einem anderen kleineren und noch schwächeren Begleiter umkreist werden könnten, vielleicht sogar von schwer fassbaren Exomonen.

Die Leistungsfähigkeit des Gaia-GRAVITY-Teams bedeutet, dass die Wissenschaftler diese beiden Instrumente bald nutzen könnten, um kleinere Begleiter um helle Sterne, nämlich Exoplaneten, abzubilden.

„Die Fähigkeit, die winzigen Bewegungen von nahe beieinander liegenden Paaren am Himmel zu erkennen, ist einzigartig für die Gaia-Mission. Der nächste Katalog, der im Rahmen der vierten Datenveröffentlichung (DR4) zur Verfügung gestellt wird, wird eine noch reichhaltigere Sammlung von Sternen mit potenziell kleineren Begleitern enthalten“, sagte der Gaia-Wissenschaftler der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) Johannes Sahlmann. „Dieses Ergebnis bahnt den Weg für die Suche nach Planeten in unserer Galaxie und verspricht uns Einblicke in neue, weit entfernte Welten.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 10. Juni in der Zeitschrift Astronomy and Astrophysics veröffentlicht.