Infrarotbild des Zentrums des Orionnebels, aufgenommen mit dem NIRCam-Instrument am James Webb-Weltraumteleskop der NASA. Die Einblendungen markieren protoplanetare Scheiben um braune Zwerge (Bildnachweis: NASA/ESA/CSA, Mark McCaughrean/ESA, Massimo Robberto/STScI/JHU, Kevin Luhman/Penn State, Catarina Alves de Oliveira/ESA).
Mit Hilfe des James-Webb-Weltraumteleskops haben Astronomen entdeckt, dass Planeten bildende Scheiben im Orionnebel tatsächlich „gescheiterte Sterne“ oder braune Zwerge umgeben. Dies ist die erste Bestätigung dafür, dass diese eigenartigen kosmischen Objekte von planetenbildenden, abgeflachten Gas- und Staubwolken, den so genannten „protoplanetaren Scheiben“, umgeben sind.
Das Team entdeckte dies, als es das James Webb Weltraumteleskop (JWST) benutzte, um Beobachtungen von protoplanetaren Scheiben, oder „Proplyds“, die von ultraviolettem Licht im Orionnebel beleuchtet wurden, zu verfolgen. Diese Beobachtungen wurden mit dem Hubble-Weltraumteleskop gesammelt.
Diese Entdeckungen könnten den Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie sich braune Zwerge bilden und warum sie die letzte Hürde nicht nehmen können, die nötig ist, um ein vollwertiger Stern zu werden. Außerdem könnte die Entdeckung dazu beitragen, herauszufinden, ob diese frei schwebenden Körper trotz ihres Scheiterns, ein richtiger Stern zu werden, irgendwann selbst Planeten umkreisen können.
Braune Zwerge haben den etwas unfairen Spitznamen „gescheiterte Sterne“, weil sie sich wie Sterne direkt aus riesigen Gas- und Staubwolken bilden. Sie schaffen es jedoch nicht, genügend Masse zu sammeln, um in ihrem Kern den Druck und die Temperatur zu erzeugen, die notwendig sind, um die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium auszulösen – den Prozess, der die Lebensdauer eines Sterns in der Hauptreihe bestimmt.
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Braune Zwerge haben eine Masse, die zwischen dem 13- und 75-fachen des Jupiters oder dem 0,13- bis 0,75-fachen der Sonne liegt, und eine kühle Temperatur. Daher strahlen sie schwaches, energiearmes Infrarotlicht aus.
„Sterne werden in massiven Gas- und Staubwolken im Weltraum geboren, die Lichtjahre groß sein können und als Nebel bezeichnet werden“, sagte Kevin Luhman, Co-Leiter des Teams vom Eberly College of Science an der Penn State University, in einer Erklärung. „Jahrzehntelang vermuteten die Astronomen, dass kurz nach dem Zusammenwachsen eines Sterns in einem Nebel Planeten in einer Scheibe aus Gas und Staub geboren werden, die den neugeborenen Stern umgibt und als protoplanetare Scheibe bezeichnet wird.“
Braune Zwerge versagen möglicherweise nicht als Planeteneltern
Nicht lange nach dem Start von Hubble im Jahr 1990 hat das bahnbrechende Weltraumteleskop der NASA direkte Bilder von protoplanetaren Scheiben im Orionnebel aufgenommen. Der nur 1.500 Lichtjahre entfernte Orion ist die der Erde am nächsten gelegene große Sternentstehungsregion, in der etwa 2.000 neugeborene Sterne zu finden sind.
„Einige der Objekte, die in Nebeln wie Orion entstehen, haben eine zu geringe Masse, um eine Wasserstofffusion zu durchlaufen. Sie sind daher kühl und schwach und können nicht als vollwertige Sterne bezeichnet werden“, sagte Catarina Alves de Oliveira, Leiterin der Abteilung für die Entwicklung des wissenschaftlichen Betriebs bei der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), in der Erklärung. „Diese sternähnlichen Körper, denen es an Kernfusion mangelt, sind als braune Zwerge bekannt. Die Frage ist, ob wir Proplyds um einen der Braunen Zwerge im Orion finden können.“
(Links) proplyd, wie von Hubble gesehen (Rechts), neu abgebildet vom JWST, diesmal mit dem Herzen des Braunen Zwergs. (Bildnachweis: NASA/ESA/CSA, Mark McCaughrean/ESA, Massimo Robberto/STScI/JHU, Kevin Luhman/Penn State, Catarina Alves de Oliveira/ESA)
In der Tat schienen einige der von Hubble im Orionnebel gesichteten Proplyds schwache Objekte in ihren Zentren zu haben, bei denen es sich um braune Zwerge handeln könnte. Das Problem war jedoch, dass die von Hubble gesammelten Beobachtungen nicht empfindlich genug waren, um festzustellen, ob diese schwachen Körper die kühlen Temperaturen aufwiesen, die mit diesen gescheiterten Sternen verbunden sind.
Hier kommt das JWST ins Spiel – das empfindlichste Infrarot-Weltraumteleskop, das je von der Menschheit gebaut wurde. Es ist perfekt geeignet, um die Temperaturen von schwachen Objekten im Orionnebel zu messen, bei denen es sich um braune Zwerge handeln könnte, darunter auch die Proplyds, die Hubble vor drei Jahrzehnten gesehen hat.
Die Astronomen führten Spektroskopie an mehreren der Kandidaten für braune Zwerge im Orion durch und entdeckten, dass mindestens 20 von ihnen kühl genug sind, um als braune Zwerge bezeichnet zu werden. Der kleinste von ihnen hat etwa die 0,05-fache Masse der Sonne und etwa die fünffache Masse des Jupiters.
Das Team entdeckte auch zwei Objekte, die genau an der vorgeschlagenen Grenze für die Masse liegen, die erforderlich ist, um diese wichtige Fusionsreaktion in Gang zu setzen. Diese beiden sind etwa 0,75 Mal so schwer wie die Sonne. Die Forscher konnten daher nicht feststellen, ob es sich bei diesen beiden Körpern um große braune Zwerge oder kleine Sterne handelt.
„Die neuen JWST-Beobachtungen haben nur an der Oberfläche der braunen Zwerge im Orion gekratzt“, sagte Luhman. „Der Nebel enthält einige hundert schwache Objekte, bei denen es sich um braune Zwerge handeln könnte, die reif für die Spektroskopie mit dem JWST sind. Zukünftige Beobachtungen von Orion mit dem JWST könnten möglicherweise viele weitere Beispiele für Proplyds um Braune Zwerge finden und die kleinste Masse bestimmen, bei der Braune Zwerge existieren.
„Diese Informationen werden uns helfen, die Lücken in unserem Wissen über die Entstehung Brauner Zwerge und ihre Beziehung zu Sternen und Planeten zu schließen.“
Die Forschungsarbeit des Teams wurde zur Veröffentlichung in The Astrophysical Journal angenommen; ein Vorabdruck ist auf der Repository-Website arXiv verfügbar.
