Brauner Zwerg
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Planetologie substellarer Objekte Die meisten der mittlerweile entdeckten Exoplaneten müssen der Gruppe der Gasplaneten zugeordnet werden Auswahleffekt, der den höheren Entdeckungswahrscheinlichkeiten geschuldet ist Gasplaneten ähneln in ihrem physischen Aufbau den Riesen- und Großplaneten unseres Sonnensystems, d.h. sie sind überwiegend aus Wasserstoff und Helium aufgebaut. Fragen: Wie grenzen sich Gasplaneten physikalisch zu stellaren Objekten (Rote Zwergsterne, Braune Zwerge) ab? Wie können anhand von Beobachtungen Gasplaneten von Braunen Zwergsternen unterschieden werden? Ab wann wird ein Stern zum Gasplaneten? An der Massegrenze Planet – Stern (Brauner Zwerg) sind Gasplaneten und Sterne beobachterisch kaum zu trennen deshalb ist die Frage, ob es sich bei einem entsprechenden substellaren Objekt um einen Gasplaneten oder einen Braunen Zwerg handelt, über Beobachtungen nur sehr schwer zu entscheiden. Im Sinne der Planetologie werden substellare Objekte als „Planeten“ bezeichnet, wenn es zu keinem Zeitpunkt ihrer Entwicklungsgeschichte in ihrem Inneren zu Kernfusionsprozessen gekommen ist. deshalb werden in diesem Sinn auch „free floater“ oder Planemos als Planeten angesehen Im Orionnebel entstehen neue, massearme Sterne darunter auch Objekte, deren Masse unter der Grenzmasse für Braune Zwerge liegt und die – ohne an einen Mutterstern gebunden – als free floater durch den kosmischen Raum wandern ... Planemos – planetary mass objects Hier: Objekte planetarer Masse, die unabhängig von einem Mutterstern durch den kosmischen Raum wandern Nachweis über ihre Infrarotstrahlung es gibt wahrscheinlich doppelt so viele Planemos als Sterne in der Milchstraße Planemos können selbst wiederum Monde gravitativ binden Braune Zwerge - Massearme Sterne jenseits der Hauptreihe Sterne, die in ihrem Zentrum Wasserstoffbrennen realisieren, nennt man HAUPTREIHENSTERNE. Ihre untere Grenzmasse liegt bei ~ 75 bis 90 Jupitermassen Rote Zwergsterne Unterhalb der Zündtemperatur für den niederenergetischen Teil des pp-Zyklus (~ 3 Millionen Kelvin) gibt es noch zwei weitere Kernfusionsreaktionen: Deuteriumbrennen (13 Mjupiter) Lithiumbrennen (65 Mjupiter) Braune Zwerge Einzelner Brauner Zwerg in einem Sternfeld Massebereich 13 .. 75 Mjupiter Absolute Helligkeit < 15 mag Größe Im gesamten Massebereich ~ Rjupiter Temperatur 600 – 3000 K Die Bedingung, daß ein substellares Objekt noch als „Stern“ angesehen wird, ist, daß es einmal in der Entwicklungsgeschichte in dessen Innern Kernfusionsprozesse gegeben hat. Deuteriumbrennen: ~ einige 100 Millionen Jahre Lithiumbrennen: ~ unter 100 Millionen Jahre Die Kernfusionsphasen bei Braunen Zwergen sind in Bezug auf die Gesamtlebensdauer dieser massearmen Objekte extrem kurz, ja fast zu vernachlässigen. Braune Zwergsterne verhalten sich wie massereiche Gasplaneten. Der „Übergang“ läßt sich physikalisch nur an der Masse festmachen. Im inneren Aufbau gibt es in diesem Übergangsbereich keine qualitativen Unterschiede. Phänomenologisch sind massearme Braune Zwerge von massereichen Gasriesen nicht zu unterscheiden. Es gibt aber Indikatoren, welche die „Tendenz“ einschätzen lassen, ob mehr ein Brauner Zwerg oder mehr ein Gasplanet vorliegt, wenn die genaue Masse nicht bekannt ist. z.B. Lithiumtest / Nachweis von Methan Größenvergleich zwischen Sonne, Roten Zwergstern, Braunen Zwerg und Gasriesen Da sich Massen astronomisch nur sehr schwierig bestimmen lassen, muß man andere Methoden entwickeln, um Braune Zwergsterne identifizieren zu können - in Abgrenzung zu Roten Zwergen und Gasplaneten Lithiumtest Der Lithiumtest dient der Abgrenzung zu massearmen Hauptreihensternen Läßt sich spektroskopisch Lithium nachweisen, dann handelt es sich um ein substellares Objekt, wenn nicht, sann handelt es sich um einen Stern, der das Hauptreihenstadium bereits erreicht hat oder um einen älteren Braunen Zwerg im Bereich zur Massegrenze zu Roten Zwergsternen. Physikalischer Hintergrund: Sterne und substellare Objekte geringer Masse sind durchgängig konvektiv Durch Lithiumbrennen wird im Laufe der Zeit das gesamte Lithium zu Helium umgewandelt – Verarmung an Lithium in der Atmosphäre Objekte mit einer Masse < 65 Mjupiter können das Lithium nicht verbrauchen. Braune Zwerge Temperatur – Alter-Diagramm substellarer Objekte Gliese 229B – ein Prototyp für einen Braunen Zwerg Gliese 229 – Roter Zwerg (8.13 m) Gliese 229B – Brauner Zwerg (31.8 m, Umlaufszeit: 40 Jahre, 20 ... 50 Mjupiter , T~1020 K ) Entfernung: Masse RZ: Leuchtkraft: 18.8 Lj 0.58 Msonne 0.016 LSonne Innerer Aufbau substellarer Objekte – Braune Zwerge + Gasplaneten Stabilitätsbedingung: Hydrostatisches Gleichgewicht Der radiale Temperatur- und Druckverlauf wird durch die in den jeweiligen Tiefen gültigen Zustandsgleichungen bestimmt. Da die Materie i.d.R. nicht im Plasmazustand vorliegt, kann im Gegensatz zu Sternen nicht die Zustandsgleichung für ideale Gase verwendet werden spezielle, stoffabhängige Zustandsgleichungen für Neutralgase Zustandsgleichungen sind semi-empirisch und deshalb nur bedingt bekannt man hat es mit Stoffgemischen in verschiedenen Aggregatzuständen zu tun Weiterhin führt das weitgehende Fehlen effektiver intrinsischer Energiequellen zu Abkühlungs- und damit Alterungseffekten. Für die Abkühlungsrate spielen verschiedene Energietransportprozesse im Innern eine Rolle: Konvektion Strahlungstransport Substellare Objekte entwickeln eine eigene Leuchtkraft (analog Sterne), die eine Funktion ihres Alters ist ENTWICKLUNGSMODELLE Wesentliche interne Wärmequellen Brauner Zwerge und Gasplaneten der Wärmeinhalt, der bei der Entstehung akkumuliert wurde (primordialer Wärmeinhalt) die Energie, die (bei Braunen Zwergen) während der Phase des thermonuklearen Brennens erzeugt wird die Umwandlung potentieller Gravitationsenergie gemäß dem Virialsatz in interne Aufheizung und Abstrahlung im Zuge der Helmholtz-Kelvin-Kontraktion die Energiefreisetzung durch gravitative Entmischung von Stoffen unterschiedlicher Dichte (z.B. Wasserstoff und Helium bei den Riesenplaneten des Sonnensystems) die Energiefreisetzung bei eventuell stattfindenden Phasenumwandlungen die Energiefreisetzung durch radioaktive Zerfallsprozesse, insbesondere im Kernbereich Der innere Aufbau substellarer Objekte kann im Prinzip mit den gleichen Grundgleichungen, wie sie auch für Sterne gelten, beschrieben werden. Schwierigkeiten: Ein großer Teil der Materie (wenn nicht sogar die Gesamte) liegt nicht als Plasma, sondern als „reales“ Gas bzw. Flüssigkeit vor, für die keine einfachen Zustandsgleichungen gelten große Unsicherheit bei der Modellierung Die Stabilität des Objekts wird bei Braunen Zwergen durch Elektronenentartung im Kernbereich gewährleistet Je geringer die Temperatur (bei gegebener Masse) desto komplexer der Aufbau Braune Zwerge sind vollständig konvektiv Der erste Braune Zwerg (Gliese 229B) wurde 1995 entdeckt. Z.Z. sind ~ 700 „sichere“ Braune Zwerge bekannt, davon einige wenige mit Exoplaneten 50% Deuterium 50% Lithium Rote Zwerge Braune Zwerge Gasplaneten Nächstes Mal: Ein detaillierter Blick auf Braune Zwerge und planetare Gasriesen
