Astronomen könnten ein seit Jahrzehnten bestehendes Problem gelöst haben: die Unterscheidung zwischen besonders massereichen Gasplaneten und Braunen Zwergen. Beide substellare Himmelskörper haben ähnliche Temperaturen, Gashüllen und Helligkeit und lassen dadurch die Grenze zwischen Planet und „gescheitertem Stern“ verschwimmen. Doch jetzt haben Forschende ein Merkmal gefunden, das helfen könnte, die Grenze besser zu definieren. Demnach rotieren Braune Zwerge signifikant langsamer als ihre planetaren Gegenparts, ihr Tempo liegt weiter vom maximal Möglichen entfernt. Der Grund dafür liegt in den unterschiedlichen Bildungsbedingungen beider Arten von Himmelskörpern und im stärkeren Magnetfeld der gescheiterten Sterne.
Braune Zwerge sind Grenzgänger unter den Himmelskörpern. Denn sie sind zu groß und warm für Planeten, aber zu massearm, um durch die Wasserstofffusion zu echten Sternen zu werden. Dadurch glimmen sie oft nur schwach im Infrarot und ähneln in Temperatur und Helligkeit den größten Vertretern der extrasolaren Gasriesen. Das macht ihre Unterscheidung schwierig, manchmal unmöglich. Gängiger Definition nach liegt die Grenze zwischen Planet und Braunem Zwerg zwar bei rund 13 Jupitermassen – dem Massenbereich, ab dem eine Deuterium-Fusion im Inneren möglich ist. Aber Astronomen haben schon mehrere Himmelskörper entdeckt, die genau auf der Grenze zwischen beiden liegen. Ob es sich bei ihnen um einen großen Gasplaneten oder aber einen Brauen Zwerg handelt, ließ sich nicht eindeutig bestimmen.
Rotation im Visier
Jetzt könnten Astronomen um Chih-Chun Hsu von der Northwestern University ein Merkmal gefunden haben, das Gasplaneten und Braune Zwerge eindeutiger voneinander trennt. Für ihre Studie hatten sie sechs extrasolare Gasriesen sowie 25 Braune Zwerge in Doppelsystemen untersucht – dadurch bewegen sich alle Testobjekte in Orbits um andere Himmelskörper und sind besser vergleichbar. Die Forschenden nahmen diese 32 Objekte mit dem hochauflösenden KPIC-Spektroskop des W.M. Keck Observatory auf Hawaii ins Visier. In den Daten analysierten sie unter anderem die Breite der Spektrallinien, die die Gashülle der Himmelskörper erzeugt. Denn dies erlaubt Rückschlüsse auf das Rotationstempo der Objekte: Je schneller sich ein Himmelkörper bewegt, desto stärker verbreitern sich seine Spektrallinien. „KPIC ist das erste Instrument, das uns solche Messungen von Merkmalen wie der Rotation ermöglicht, die vorher kaum detektierbar waren“, erklärt Hsu.
Bei den Auswertungen der Spektraldaten wurden die Astronomen fündig: „Wir haben den ersten klaren Beleg dafür gefunden, dass Gasriesen sich in ihrer Rotation von massearmen Braunen Zwergen unterscheiden“, schreibt das Team. Demnach drehen sich Planeten signifikant schneller um sich selbst als gleichalte Braune Zwerge. Ihr Rotationstempo erreicht einen höheren Protzentsatz des für eine bestimmte Größe maximal Möglichen, wie Hsu und seine Kollegen berichten. Demnach rotieren zehn Millionen Jahre alte Gasriesen im Schnitt mit 27 Prozent ihres sogenannten Breakup-Tempos, gleichalte Braune Zwerge mit vergleichbaren Orbitneigungen dagegen nur mit rund 9 Prozent. Geht man von zufälligen, nicht gleichen Orbitparametern aus, liegen die Werte bei 25 und 13 Prozent. Diese Unterschiede zeigten sich auch bei 43 weiteren Braunen Zwergen und 54 extrasolaren Gasriesen, deren Rotation in früheren Studien gemessen worden waren.
(Video: W. M. Keck Observatory)
Relikt der Bildungsbedingungen
Die Astronomen führen diese Unterschiede im Rotationstempo auf die unterschiedlichen Bildungswege von planetaren Gasriesen und Braunen Zwergen zurück. „Die Rotation ist ein fossiles Relikt der Bildungsart“, sagt Hsu. Gasplaneten bilden sich in der protoplanetaren Scheibe ihres Sterns und ihr Drehimpuls ergibt sich aus den Wechselwirkungen mit dieser Materiescheibe. „Das näher an der Breakup-Geschwindigkeit liegende Rotationstempo von Planeten kann darauf zurückgehen, dass sie in ihrer Bildungsphase weniger Drehimpuls durch die Bremswirkung der Scheibe verlieren“, schreiben die Astronomen. Braune Zwerge können wie Sterne durch den Kollaps einer Gaswolke entstehen, aber auch durch lokale Instabilität einer Materiescheibe um einen größeren Stern. Weil Braune Zwerge als gescheiterte Sterne aber ein stärkeres Magnetfeld besitzen, sind sie einer stärkeren Bremswirkung ausgesetzt, wie das Team erklärt.
Zusätzlich kommen dann noch weitere Einflussfaktoren ins Spiel: „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass sowohl die Masse des Planeten als auch das Massenverhältnis zwischen ihm und seinem Stern beeinflussen, wie schnell er letztlich rotiert“, sagt Hsu. Auch das Alter spielt eine Rolle, weil sowohl Planeten als auch Braune Zwerge mit dem Alter schneller werden können. „Wir haben aber gerade erst begonnen zu erkunden, was uns die Rotation eines Planeten verraten kann“, so der Astronom weiter. „Mit künftigen Instrumenten und größeren Teleskopen werden wir die Drehung von noch mehr Welten messen können.“ Als nächstes plant das Team, auch die Rotation von ungebundenen Himmelskörpern im planetaren Grenzbereich zu erforschen – Planeten und Braunen Zwergen, die allein durch das All fliegen.
Quelle: Chih-Chun Hsu (Northwestern University) et al., The Astronomical Journal, doi: 10.3847/1538-3881/ae434b
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