Eine Illustration eines braunen Zwergs und seiner Infrarotemissionen, wie sie vom James Webb Weltraumteleskop gesehen wurden (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, LEAH HUSTAK (SPACE TELESCOPE SCIENCE INSTITUTE))
Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) haben Astronomen die überraschende Entdeckung gemacht, dass Methanemissionen von einem Braunen Zwerg oder einem „gescheiterten Stern“ ausgehen.
Der Fund deutet darauf hin, dass der braune Zwerg Polarlichter aufweist und möglicherweise sogar von einem unentdeckten Exomond umkreist wird, so die Forscher.
Die Entdeckung des JWST Braunen Zwergs ist überraschend, da man nicht erwartet, dass diese kalten und isolierten Welten warm genug sind, damit Methan Infrarotlicht aussenden kann.
Die Entdeckungen sind das Ergebnis eines JWST-Programms zur Untersuchung von 12 Braunen Zwergen. Sie deuten darauf hin, dass diese gescheiterten Sterne Polarlichter erzeugen können, die den Nord- und Südlichtern der Erde sowie denen über Jupiter und Saturn ähneln. Das Fehlen eines Sterns in der Nähe dieses einsamen Braunen Zwerges könnte bedeuten, dass die Polarlichter über ihm von einem verborgenen aktiven Mond erzeugt werden.
Das Studienteam untersuchte den kalten Braunen Zwerg CWISEP J193518.59-154620.3 (W1935), der 47 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Die Masse von W1935 ist zwar nur unzureichend bekannt und liegt zwischen dem 6- und 35-fachen der Masse des Jupiters, aber seine Oberflächentemperatur beträgt etwa 204 Grad Celsius (400 Grad Fahrenheit). Das ist in etwa die Temperatur, bei der man Schokoladenkekse backen würde (gescheiterte Brownies?).
„Methangas wird bei Riesenplaneten und Braunen Zwergen erwartet, aber wir sehen es normalerweise als Licht absorbierend, nicht als leuchtend“, sagte Jackie Faherty, Teamleiterin und Senior Education Manager am American Museum of Natural History, in einer Erklärung. „Wir waren zunächst verwirrt über das, was wir sahen, aber schließlich verwandelte sich das in pure Begeisterung über die Entdeckung.“
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Warum scheitern manche Stars?
Braune Zwerge haben den unglücklichen Spitznamen „gescheiterte Sterne“, weil sie zwar direkt aus einer kollabierenden Gas- und Staubwolke wie ein Stern entstehen, aber nicht genug Masse haben, um die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium in ihrem Kern auszulösen.
Dies ist der Prozess, der definiert, was ein Hauptreihenstern ist, so dass braune Zwerge – deren Masse größer als die der größten Planeten, aber kleiner als die des kleinsten Sterns ist – diesen Status technisch gesehen „nicht erreichen“.
Faherty und seine Kollegen untersuchten mehrere Braune Zwerge mit JWST, als sie feststellten, dass W1935 ähnlich ist, allerdings mit einem interessanten Unterschied: Er emittiert Methan, etwas, das noch nie zuvor bei einem gescheiterten Stern gesehen wurde.
Die Modellierung von W1935 ergab, dass dieser spezielle Braune Zwerg auch eine sogenannte „Temperaturinversion“ aufweist. Dabei handelt es sich um ein Phänomen, bei dem die Atmosphäre eines Planeten in tieferen Schichten kälter wird. Dieses Phänomen tritt normalerweise bei Planeten auf, die um Sterne kreisen, die ihre Atmosphäre von oben nach unten aufheizen. Bei W1935 wurde es jedoch nicht erwartet, da der Braune Zwerg isoliert ist und es keine externe Wärmequelle gibt.
„Wir waren angenehm schockiert, als das Modell eindeutig eine Temperaturinversion vorhersagte“, sagte Teammitglied und Wissenschaftler der University of Hertfordshire Ben Burningham in der Erklärung. „Aber wir mussten auch herausfinden, woher die zusätzliche Wärme in der oberen Atmosphäre kam.
Ein zusammengesetztes Bild von Jupiter, aufgenommen von Webbs NIRCam, zeigt die Ringe des Planeten und zwei seiner Monde, Amalthea und Adrastea. Das blaue Leuchten um die Pole des Jupiters ist die Aurora. (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Jupiter ERS Team; Bildbearbeitung durch Ricardo Hueso (UPV/EHU) und Judy Schmidt).
Um dieses Rätsel zu lösen, schaute sich das Team die Gasriesen des Sonnensystems, Jupiter und Saturn, näher an. Beide Gasriesen haben Methanemissionen, und beide haben Atmosphären, die eine Temperaturinversion aufweisen.
Bei Jupiter und Saturn sind die Ursache für die Methanemissionen und die Temperaturinversion Polarlichter, woraus Faherty und das Team schlossen, dass das JWST dies um W1935 herum entdeckt hatte. Die große Frage lautet: Was ist die Ursache für das Polarlicht bei W1935?
Dies ist ein Problem, denn der Sonnenwind – der Strom geladener Teilchen von der Sonne – ist die Hauptursache für Polarlichter auf Jupiter, Saturn und der Erde. Die geladenen Teilchen treffen auf die Magnetfelder der Planeten und bewegen sich entlang der Feldlinien, wobei sie mit den Teilchen in der Atmosphäre in Wechselwirkung treten. Dadurch werden die oberen Atmosphärenschichten aufgeheizt und die Lichtemission in der Nähe der Planetenpole verursacht. Da W1935 jedoch keinen Wirtsstern hat, der ihn mit Sternwinden antreibt, kann dieser Prozess nicht die Hauptursache für die Aurora des einsamen Braunen Zwerges sein.
Die Polarlichter von Jupiter und Saturn haben jedoch noch einen zweiten, weniger bedeutenden Antrieb, nämlich geladene Teilchen, die in die Gasriesen strömen, weil ihre aktiven Monde Material ins All spucken. Der Jupitermond Io beispielsweise ist der vulkanischste Körper im Sonnensystem und spuckt Lava Dutzende von Kilometern in den Weltraum, während der Saturnmond Enceladus Geysire in den Weltraum spuckt, die Wasserdampf und anderes Material enthalten, das gleichzeitig gefriert und kocht, wenn es auf den Weltraum trifft.
Die Aurora von W1935 ohne Stern oder Sternwinde deutet darauf hin, dass der Braune Zwerg von einem aktiven Mond umkreist wird.
Bevor die Wissenschaftler die Existenz eines Mondes eines Braunen Zwergs zum ersten Mal bestätigen können, werden weitere Beweise benötigt. Bis dahin bieten diese ersten Hinweise einen Einblick, wie einflussreich das JWST ist, seit es im Sommer 2022 begann, seine Beobachtungen des Universums zur Erde zu senden.
„Jedes Mal, wenn ein Astronom das JWST auf ein Objekt richtet, besteht die Chance auf eine neue umwerfende Entdeckung“, so Faherty abschließend. „Als wir mit diesem Projekt begannen, hatte ich die Methanemission nicht auf dem Radar, aber jetzt, da wir wissen, dass es sie geben kann und die Erklärung dafür so verlockend ist, halte ich ständig Ausschau danach. Das ist Teil des wissenschaftlichen Fortschritts.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden heute (17. April) in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
