Wann ist a Brauner Zwerg Stern gar kein Stern, sondern nur ein bloßer Gasriese ? Und wann ist ein Gasriese kein Planet, sondern ein Himmelsobjekt, das eher einem Braunen Zwerg ähnelt? Diese Fragen beschäftigen Astronomen seit Jahren und treffen den Kern einer neuen Definition für die großen Himmelskörper, die Sonnensysteme bevölkern.
Ein Astronom bei Johns Hopkins Universität glaubt, dass er diese Objekte besser klassifizieren kann, und dies basiert nicht nur auf der Masse, sondern auch auf der Gesellschaft, die die Objekte haben, und wie die Objekte geformt wurden. In einem Papier veröffentlicht im Astrophysikalisches Journal , argumentierte Kevin Schlaufman für ein neues Klassifizierungssystem, das uns allen helfen könnte, einige der Argumente darüber zu überwinden, welches Objekt ein Gasriesenplanet oder ein Brauner Zwerg ist. Masse ist der leicht verständliche Teil dieser neuen Definition, aber nicht der einzige Faktor. Entscheidend ist auch, wie das Objekt gebildet wird.
Generell gilt: Je weniger Masse ein Stern hat, desto kühler ist er. Obwohl Sterne, die kleiner als unsere Sonne sind, immer noch wärmeerzeugende Fusionsreaktionen aufrechterhalten können, können Protosterne, die zu klein sind, dies nicht. Diese „gescheiterten“ Sterne sind allgemein als Braune Zwerge bekannt, und eine neue Definition legt ihre Reichweite zwischen dem 10-75-fachen der Masse des Jupiter fest. Das Konzept dieses Künstlers vergleicht die Größe eines Braunen Zwergs mit der der Erde, des Jupiter, eines massearmen Sterns, und der Sonne. (Bild: NASA/JPL-Caltech/UCB).
Schlaufman ist Assistenzprofessor am Johns Hopkins Department of Physics and Astronomy. Er hat eine Grenze für das festgelegt, was wir einen Planeten nennen sollten, und diese Grenze liegt zwischen dem 4- bis 10-fachen der Masse des größten Planeten unseres Sonnensystems. Jupiter . Darüber hinaus haben Sie sich einen Brown-Dwarf-Stern zugelegt. (Braune Zwerge werden auch substellare Objekte oder gescheiterte Sterne genannt, weil sie nie massiv genug wurden, um Sterne zu werden.)
„Eine obere Grenze der Planetenmasse ist eines der auffälligsten Details, die gefehlt haben.“ – Kevin Schlaufman, Johns Hopkins University, Dept. of Physics and Astronomy.
Verbesserungen bei der Beobachtung anderer Sonnensysteme haben zu dieser neuen Definition geführt. Wo wir vorher nur unser eigenes Sonnensystem als Referenz hatten, können wir jetzt mit zunehmender Effektivität andere Sonnensysteme beobachten. Schlaufman beobachtete 146 Sonnensysteme, und das erlaubte ihm, einige der Lücken in unserem Verständnis der Braunen Zwerge und der Planetenbildung auszufüllen.
Ein Bild von Jupiter, das seine Sturmsysteme zeigt. Nach einer neuen Definition würde Jupiter als Brauner Zwerg gelten, wenn er bei seiner Entstehung auf das 10-fache seiner Masse angewachsen wäre. Bild: Zwillinge
„Obwohl wir denken, dass wir wissen, wie sich Planeten im Großen und Ganzen bilden, müssen wir noch viele Details ausfüllen“, sagte Schlaufman. „Eine obere Grenze der Planetenmasse ist eines der auffälligsten Details, die gefehlt haben.“
Gehen wir ein wenig zurück und schauen wir uns an, wie Braune Zwerge und Gasriesen verwandt sind.
Sonnensysteme entstehen aus Gas- und Staubwolken. In der Frühzeit eines Sonnensystems bilden sich aus dieser Wolke durch Gravitationskollaps ein oder mehrere Sterne. Sie entzünden sich durch Fusion und werden zu den Sternen, die wir überall im Universum sehen. Das übrig gebliebene Gas und der Staub bilden Planeten oder Braune Zwerge. Dies ist eine vereinfachte Version der Sonnensystembildung, aber sie dient unseren Zwecken.
In unserem eigenen Sonnensystem hat sich nur ein einziger Stern gebildet: die Sonne. Die Gasriesen Jupiter und Saturn haben den größten Teil des restlichen Materials verschlungen. Jupiter verschlang den Löwenanteil und machte ihn zum größten Planeten. Aber was wäre, wenn die Bedingungen anders gewesen wären und Jupiter weiter gewachsen wäre? Laut Schlaufman wäre er ein Brauner Zwerg geworden, wenn er über das Zehnfache seiner jetzigen Größe gewachsen wäre. Aber damit endet die neue Definition noch nicht.
Metallizität und chemische Zusammensetzung
Masse ist nur ein Teil davon. Was wirklich hinter seiner neuen Klassifizierung steckt, ist die Art und Weise, wie das Objekt entstand. Dies beinhaltet das Konzept der Metallizität bei Sternen.
Sterne haben einen Metallizitätsgehalt. In der Astrophysik bedeutet dies den Anteil der Masse eines Sterns, der nicht Wasserstoff oder Helium ist. Jedes Element von Lithium an abwärts gilt also als Metall. Aus diesen Metallen bilden sich Gesteinsplaneten. Das frühe Universum hatte nur Wasserstoff und Helium und fast unbedeutende Mengen der nächsten beiden Elemente, Lithium und Beryllium. Die ersten Sterne hatten also keine oder fast keine Metallizität.
Dies ist ein Bild von M80, einem alten Kugelsternhaufen. Da diese Sterne im frühen Universum entstanden sind, ist ihr Metallizitätsgehalt sehr gering. Dies bedeutet, dass Gasriesen wie Jupiter hier selten oder nicht existent wären, während Braune Zwerge wahrscheinlich reichlich vorhanden sind. Bild: Von der NASA, The Hubble Heritage Team, STScI, AURA – Great Images in NASA Description, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6449278
Aber jetzt, 13,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall, haben jüngere Sterne wie unsere Sonne mehr Metall in sich. Das liegt daran, dass Generationen von Sternen gelebt und gestorben sind und die Metalle geschaffen haben, die bei der nachfolgenden Sternentstehung aufgenommen wurden. Unsere eigene Sonne wurde vor etwa 5 Milliarden Jahren gebildet und hat die Metallizität, die wir von einem Stern mit seinem Geburtsdatum erwarten. Es besteht immer noch überwiegend aus Wasserstoff und Helium, aber etwa 2% seiner Masse bestehen aus anderen Elementen, hauptsächlich Sauerstoff, Kohlenstoff, Neon und Eisen.
Hier setzt Schlaufmans Studie an. Ihm zufolge können wir Gasriesen wie den Jupiter und Braune Zwerge anhand der Art des Sterns, den sie umkreisen, unterscheiden. Die Arten von Planeten, die sich um Sterne bilden, spiegeln die Metallizität des Sterns selbst wider. Gasriesen wie Jupiter kreisen normalerweise um Sterne mit einer Metallizität, die gleich oder größer als unsere Sonne ist. Aber Braune Zwerge sind nicht wählerisch; sie bilden sich um fast jeden Stern herum. Wieso den?
Braune Zwerge und Planeten bilden sich anders
Planeten wie Jupiter entstehen durch Akkretion. Ein felsiger Kern bildet sich, dann sammelt sich Gas um ihn herum. Sobald der Prozess abgeschlossen ist, haben Sie einen Gasriesen. Dazu braucht man Metalle. Wenn Metalle für die Bildung dieser felsigen Kerne vorhanden sind, spiegelt sich ihre Anwesenheit in der Metallizität des Wirtssterns wider.
Aber Braune Zwerge werden nicht wie Planeten durch Akkretion gebildet. Sie sind genauso geformt wie Sterne; durch Gravitationskollaps. Sie bilden sich nicht aus einem anfänglichen felsigen Kern, daher ist Metallizität kein Faktor.
Dies bringt uns zurück zu Kevin Schlaufmans Studie. Er wollte herausfinden, an welcher Masse ein Objekt sich nicht um die Metallizität des Sterns kümmert, den es umkreist. Er kam zu dem Schluss, dass es Objekten mit mehr als der 10-fachen Masse des Jupiter egal ist, ob der Stern felsige Elemente hat, da sie nicht aus felsigen Kernen entstehen. Daher sind sie keine Planeten, die dem Jupiter ähnlich sind; Sie sind Braune Zwerge, die durch den Gravitationskollaps entstanden sind.
Was macht es aus, wie wir sie nennen?
Schauen wir uns die Pluto-Kontroverse an, um zu verstehen, warum Namen wichtig sind.
Der Kampf darum, alle Objekte, die wir im Weltraum sehen, genau zu klassifizieren, dauert an. Wer kann die Not des armen Pluto vergessen? Im Jahr 2006 wurde die Internationale Astronomische Union (IAU) degradierte Pluto und entzog ihm seinen langjährigen Status als Planet. Wieso den?
Denn die neue Definition dessen, was ein Planet ist, beruht auf diesen drei Kriterien:
- ein Planet befindet sich in einer Umlaufbahn um einen Stern.
- ein Planet muss eine ausreichende Masse haben, um ein hydrostatisches Gleichgewicht (eine fast runde Form) einzunehmen.
- ein Planet hat die Nachbarschaft um seine Umlaufbahn gesäubert
Je mehr wir uns Pluto mit besseren Teleskopen ansahen, desto mehr stellten wir fest, dass es das dritte Kriterium nicht erfüllte, und wurde daher auf Dwarf Planet herabgestuft. Entschuldigung Pluto.
Pluto wurde aufgrund unseres wachsenden Verständnisses seiner Natur als Zwergplanet neu klassifiziert. Wird uns Schlaufmans neue Studie helfen, Gasriesen und Braune Zwerge genauer zu klassifizieren? Die NASA-Raumsonde New Horizons hat diese hochauflösende, verbesserte Farbansicht von Pluto am 14. Juli 2015 aufgenommen. Bildnachweis: NASA/JHUAPL/SwRI
Unsere Namenskonventionen für astronomische Objekte sind wichtig, denn sie helfen den Menschen zu verstehen, wie alles zusammenpasst. Aber manchmal kann die Debatte um Namen ermüdend werden. (Die Pluto-Debatte beginnt sich zu verlangsamen, weshalb einige vorschlagen, sie alle einfach „Welten“ zu nennen.)
Obwohl die Pluto-Debatte ermüdend wird, ist sie immer noch wichtig. Wir brauchen eine Möglichkeit, zu verstehen, was Objekte anders macht, und Namen, die diesen Unterschied widerspiegeln. Und die Namen müssen etwas Grundsätzliches über die betreffenden Objekte widerspiegeln. Sollte Pluto wirklich als dieselbe Art von Objekt wie Jupiter angesehen werden? Sind beide wirklich Planeten im gleichen Sinne? Die IAU sagt nein.
Das gleiche Prinzip gilt für Braune Zwerge und Gasriesen. Ihnen Namen nur aufgrund ihrer Masse zu geben, sagt uns nicht viel. Schlaufman will das ändern.
Seine neue Definition ist sinnvoll, weil sie sich darauf verlässt, wie und wo diese Objekte entstehen, und nicht nur auf ihre Größe. Aber natürlich werden nicht alle zustimmen.
Lassen Sie die Debatte beginnen.