Diese Collage von Bildern des Flammennebels zeigt links eine Nahinfrarotaufnahme des Hubble-Weltraumteleskops der NASA, während die beiden Einschübe rechts Nahinfrarotaufnahmen des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA zeigen. (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, M. Meyer (University of Michigan), A. Pagan (STScI))
Das James Webb Space Telescope (JWST) hat tief in den staubigen Schleier einer jungen, von Sternentstehung erfüllten Nebelregion geblickt, um nach sogenannten „gescheiterten Sternen“ – den Braunen Zwergen – zu suchen.
Braune Zwerge sind stellare Objekte, die wie Sterne entstehen, aber nicht genug Materie ansammeln können, um die für die Wasserstoff-zu-Helium-Fusion in ihren Kernen erforderliche Masse zu erreichen. Diese Körper mit Massen zwischen dem 13- und 75-fachen der Masse des Jupiters (oder 1,3 % bis 7,5 % der Sonnenmasse) sind daher deutlich lichtschwächer als normale Hauptreihensterne, obwohl in ihnen tatsächlich eine gewisse Kernfusion stattfindet.
Braune Zwerge sind in ihrer Jugend heißer und heller, was es einfacher macht, sie in jungen Nebeln wie dem Flammennebel zu entdecken. Dieser ist etwa eine Million Jahre alt – was im Vergleich zu unserem 4,6 Milliarden Jahre alten Sonnensystem fast jugendlich wirkt.
Das JWST konnte das dichte Gas und den Staub durchdringen, die den Flammennebel verhüllen, um nach der unteren Massengrenze von Braunen Zwergen zu suchen. Die Suche förderte frei schwebende Objekte zutage, die etwa zwei- bis dreimal so massereich wie Jupiter sind. Mit „frei schwebend“ meinen Astronomen Objekte, die keinen Mutterstern umkreisen.
Es könnte sich um stellare Fragmente handeln, die auf dem Weg sind, zu Braunen Zwergen zu werden.
„Das Ziel dieses Projekts war es, die grundlegende Massengrenze bei der Entstehung von Sternen und Braunen Zwergen zu erforschen“, erklärte der Teamleiter Matthew De Furio von der University of Texas at Austin in einer Stellungnahme. „Mit dem JWST können wir nun die schwächsten und masseärmsten Objekte untersuchen.“
Das JWST suchte nach frei schwebenden Objekten mit planetarer Masse, die mindestens etwa die Hälfte der Masse des Jupiters aufweisen. Dieser Prozess wird durch die sogenannte „Fragmentierung“ bestimmt, bei der große, dichte Wolken aus Gas und Staub – sogenannte „Molekülwolken“ – zerfallen und sich verdichten, um Sterne und Braune Zwerge zu bilden.
Die Fragmentierung hängt stark vom Gleichgewicht zwischen Temperatur, thermischem Druck und Schwerkraft ab. Hinzu kommen noch einige weniger entscheidende Faktoren.
Wenn sich Fragmente von Molekülwolken unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenziehen, steigt die Temperatur in ihren Kernen. Ein Kern mit ausreichender Masse wird zu einem Protostern, der die Fusion von Wasserstoff einleitet. Dadurch entsteht eine nach außen gerichtete Energie, die den nach innen gerichteten Druck der Schwerkraft ausgleicht und den Kollaps stoppt. Das stabilisierte Objekt ist nun ein Hauptreihenstern, der in seinem Kern Wasserstoff zu Helium fusioniert.
Diese Collage von Bildern des Flammennebels zeigt links eine Nahinfrarotaufnahme des Hubble-Weltraumteleskops der NASA, während die beiden Einschübe rechts Nahinfrarotaufnahmen des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA zeigen. (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, M. Meyer (University of Michigan), A. Pagan (STScI))
Wenn ein Kern jedoch nicht dicht und heiß genug ist, um die Wasserstofffusion in Gang zu setzen, gibt es nichts, was der Schwerkraft entgegenwirken könnte, und der Kollaps schreitet ungebremst voran. Diese gescheiterten Fragmente strahlen weiterhin Wärme ab – im Wesentlichen handelt es sich um einen „Proto-Braunzwerg“.
„Die Abkühlung dieser Wolken ist entscheidend, denn wenn genug innere Energie vorhanden ist, wirkt sie der Schwerkraft entgegen“, erklärte Michael Meyer von der University of Michigan, ein Mitglied des Teams. „Wenn die Wolken effizient abkühlen, kollabieren sie und zerfallen.“ Die Fragmentierung endet, wenn das Gas eines Fragments dicht genug wird, um undurchsichtig zu sein. Das bedeutet, dass es seine eigene Strahlung wieder aufnehmen kann, was die weitere Abkühlung stoppt und den Kollaps verhindert.
Diese Collage von Bildern des Flammennebels zeigt links eine Nahinfrarotaufnahme des Hubble-Weltraumteleskops der NASA, während die beiden Einschübe rechts Nahinfrarotaufnahmen des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA zeigen. (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, M. Meyer (University of Michigan), A. Pagan (STScI))
Die untere Massengrenze dieser Fragmente wurde bisher auf das 1- bis 10-fache der Masse des Jupiters geschätzt. Die neuen Erkenntnisse könnten diesen Bereich jedoch verkleinern.
„Wie in vielen früheren Studien festgestellt wurde, nimmt die Anzahl der Objekte mit abnehmender Masse bis etwa zum Zehnfachen der Jupitermasse zu. In unserer Studie mit dem JWST sind wir in der Lage, Objekte bis hinunter zur 0,5-fachen Jupitermasse zu erfassen, und wir stellen fest, dass die Anzahl der Objekte deutlich abnimmt, sobald man unter das Zehnfache der Jupitermasse geht“, sagte De Furio. „Wir finden weniger Objekte mit fünf Jupitermassen als solche mit zehn Jupitermassen und noch weniger Objekte mit drei Jupitermassen im Vergleich zu denen mit fünf Jupitermassen. Wir finden praktisch keine Objekte unterhalb von zwei oder drei Jupitermassen, obwohl wir sie erwarten würden, wenn sie existieren. Daher vermuten wir, dass dies die tatsächliche Grenze sein könnte.“
Meyer fügte hinzu, dass Astronomen mit dem JWST erstmals in der Lage waren, bis an die Grenze der Braunen Zwerge und darüber hinaus vorzudringen. „Falls diese Grenze tatsächlich existiert“, so Meyer weiter, „sollte es in unserer Milchstraße keine frei schwebenden Objekte mit der Masse eines Jupiters geben – es sei denn, sie wurden als Planeten gebildet und dann aus einem Planetensystem herausgeschleudert.“
Die Schwäche der Braunen Zwerge macht sie schwer zu entdecken, doch die Mühe lohnt sich. Diese gescheiterten Sterne liefern wertvolle Informationen über die Sternentstehung sowie die Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen Sternen und Planeten.
Diese Studie des JWST baut auf früheren Forschungen des Hubble-Weltraumteleskops auf, das nicht empfindlich genug war, um Braune Zwerge mit so geringer Masse im Flammennebel zu untersuchen, aber in der Lage war, vielversprechende Ziele für weitere Untersuchungen zu identifizieren.
„Es ist wirklich schwierig, diese Arbeit vom Boden aus durchzuführen, insbesondere in Regionen wie dieser, wenn man Braune Zwerge mit Massen von bis zu zehn Jupitermassen betrachtet“, sagte De Furio. „Die vorhandenen Hubble-Daten der letzten 30 Jahre haben uns gezeigt, dass dies ein äußerst interessantes Sternentstehungsgebiet ist. Wir brauchten das JWST, um dieses spezielle wissenschaftliche Thema untersuchen zu können.“
Diese Collage von Bildern aus dem Flame Nebula zeigt links eine Nahinfrarotlicht-Ansicht des Hubble-Weltraumteleskops der NASA, während die beiden Einschübe rechts die Nahinfrarot-Ansicht des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA zeigen. (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, M. Meyer (University of Michigan), A. Pagan (STScI))
Der Astronom Massimo Robberto vom Space Telescope Science Institute bezeichnete den Übergang von Hubble zum JWST als einen „Quantensprung“ in der Fähigkeit der Astronomen, die Natur von Braunen Zwergen zu verstehen.
Das Team wird nun mit dem JWST weiterhin den Flammennebel untersuchen, um nach Objekten zu suchen, die sich in seinem dichten, staubigen Schleier verbergen.
„Es gibt eine große Überschneidung zwischen Objekten, die Planeten sein könnten, und solchen, die sehr massearme Braune Zwerge sind“, fasste Meyer zusammen. „Und das ist unsere Aufgabe in den nächsten fünf Jahren: herauszufinden, was was ist und warum.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden zur Veröffentlichung in den *Astrophysical Journal Letters* angenommen.
