Brongen Zwerg

E Brongen Zwerg ass e kompakten astronomeschen Objet, dee mat enger Mass vun tëscht 13 a 75 Jupitermassen eng besonnesch Plaz tëscht Planéiten a Stären huet. Dat selwecht gëllt fir déi Prozesser déi an hirem Kär oflafen. Brong Zwergen hu méi Mass wéi d'Gasrisen a manner wéi déi stellar Rout Zwergen.

Ofgrenzung

Gliese 229B (an der Bildmëtt, all Kéier), lénks: Entdeckung um Palomar Observatoire, riets: Hubble Weltraumteleskop (NASA)

Als Brong Zwerge ginn all Objeten aklasséiert, déi ënner der Massegrenz fir Waasserstofffusioun leien. Déi Fusioun ass de charakteristesche Prozess fir ee Stär. Si wierkt op d'mannst fir een Deel vun der Stäreliewenszäit géint Gravitatiounskraaft a stabiliséiert domat de Stär. Déi nidregst Temperatur fir d'Waasserstofffusioun gëtt bei enger Zesummesetzung déi eiser Sonn gläicht, bei enger Mass vu ronn 0,07 Sonnen- resp. 75 Jupitermassen (zirka 0,139•10³⁰ kg) erreecht. Vun där Mindestmass un, entsteet e Stär. D'Massegrenz ass awer vun der Metallizitéit ofhängeg a läit fir eng Metallizitéit vun 0, dat heescht bei Objeten aus der Ufanksphas vum Universum, bei ronn 90 Jupitermassen.

An de brongen Zwerge gëtt et awer trotzdeem Fusiounsprozesser, well et Fusiounsreaktioune gëtt, déi scho bei méi niddregen Temperaturen oflafe wéi d'Waasserstofffusioun. Dat sinn am Allgemengen d'Lithiumfusioun, bei där vu ronn 65 Jupitermassen, resp. Kärtemperature vun iwwer 2 Millioune Kelvin e ⁷Lithiumkär mat engem Proton reagéiert, an d'Deuteriumfusioun, bei där vu ronn 13 Jupitermassen een Deuteriumkär an ee Proton zu engem ³Heliumkär verschmëlzen.

Déi ënnescht Massegrenz läit bei där Definitioun bei ronn 13 Jupitermassen, der Massegrenz fir d'Deuteriumfusioun. Objete mat emger méi klenger Mass nennt ee Planéiten, wann et Begleeder vu Stäre sinn. Objeten, déi net Deel vun engem Sonnesystem sinn, sech awer fräi ëm den Zentrum vun der Mëllechstrooss beweegen, gi Planemoe genannt, well iwwer hiren Urspronk näischt bekannt ass. Vill Exoplanéite weisen nieft grousse Massen, déi deelweis souguer am Beräich vu brongen Zwerge leie kënnen, mat héijer Exzentrizitéiten a klengen Ofstänn vum Zentralstär Bunnparameter op, déi een éischter vun engem stellare Begleeder wéi vu Planéiten erwaarde géif. Tatsächlech gëtt op d'mannst een Exoplanéit och als Kandidat fir e brongen Zwerg aklasséiert. Bei den Objeten ënner 13 Jupitermassen ass nach keng eenheetlech Benennung ofzegesinn.

An den éischten Ënnersich vu brongen Zwerge gouf de Genesiskrittär benotzt. All Objete goufe brong Zwerge genannt, déi wéi d'Stären duerch Kontraktioun vun enger Gaswollek entstinn, an deenen awer keng Waasserstofffusioun ufänkt – am Géigesaz zu de Planéiten, déi an den Akkretiounsscheiwe vun de Stären entstinn. Déi Definitioun ass awer problematesch, well virun allem d'Genesisgeschicht vun de liichten Objeten, wann iwwerhaapt, nëmme mat héijem Opwand erkläert ka ginn. De Fusiounskrittär gëtt zwar nach net allgemeng gebraucht, awer e gëtt zanter Ufank vum 21. Joerhonnert méi dacks gebraucht wéi de Genesiskrittär, deen eigentlech nëmmen nach vun e puer eelere Pionéier vun deem Fuerschungsgebitt gebraucht gëtt.

Genesis

De Genesisprozess vun de Brongen Zwergen ass nach net eendäiteg gekläert, am Allgemenge bestinn awer fënnef Méiglechkeeten:

Si ginn nom selwechte Mechanismus aus enger Gaswollek opgebaut wéi d'Stären, mat deem eenzegen Ënnerscheed, datt d'Mass vun dësem Kierper net zu enger Waasserstofffusioun ausreecht.
Si fänken hir Genesis als Deel vun engem Méifachsystem an enger Globul un. Si ginn awer aus dem System eraus geschleidert, ir si déi néideg Mass fir eng Zündung vun der Waasserstofffusioun erreechen.
Si entstinn änlech wéi Planéiten an enger protoplanetarescher Scheif, a ginn an engem spéideren Entwécklungsstadium aus dem Planéitesystem eraus geschleidert.
A jonke masseräiche Stärekéip kann déi ioniséierent Stralung vu massiven O- a B-Stären déi protostellar Akkretiounsscheiwen zerstéieren, ier déi Objete genuch Mass fir d'Waasserstofffusioun opfëlle konnten.
Wa Stären an engem jonke Stärekoup no beienee kommen, kann d'Akkretiounsscheif zerstéiert ginn, ier d'Waasserstofffusiounslimit erreecht ass.

An der Stäregebuertsregioun Chamaeleon I, déi eréischt e puer Millioune Joer al ass, goufe 34 Brong Zwerge fonnt, bei dräi konnten zousätzlech eng Akkretiounsscheif nogewise ginn, déi typesch fir jonk Stären ass. Den Nowäis vun enger T-Tauri-Phas bei ville Bronge Zwergen, déi bis elo nëmme bei jonke Stären op hirem Wee an d'Haaptrei bekannt war, ass e weidere Beleeg fir déi selwecht Genesisgeschicht op d'mannst vun engem Deel vun de Brongen Zwergen.

Eegenschaften

Brong Zwerge weisen, wéi d'Stären och, eng vergläichbar Elementzesummesetzung op. Nëmmen an Akkretiounsscheiwen entstane Brong Zwergen hätte méiglecherweis ee Gestengskär. Fir dëse Genesiswee gëtt et awer bis elo nach keng Beweiser.

Fir ganz liicht Zwergstäre stellt sech am Kär onofhängeg vun der Mass eng Gläichgewiichtstemperatur vu ronn 3 Millioune Kelvin an, bei där d'Waasserstofffusiounsprozesser sprongaarteg ufänken. D'Konstanz vun der Temperatur bedeit eng approximativ Proportionalitéit tëscht Mass a Radius, dat heescht, wat d'Mass méi kleng ass, ëmsou méi héich ass d'Dicht am Kär. Bei gréisserer Kärdicht maachen d'Elektronen een zousätzleche Géigendrock géint déi gravitativ Kontraktioun aus, deen duerch eng deelweis Entartung vun den Elektronen opgrond vum Pauli-Prinzip verursaacht gëtt an zu enger manner grousser Opheizung vum Kär féiert. Dëst féiert bei der Metallizitéit änlech zu der Sonn bei manner wéi ronn 75 Jupitermassen dozou, datt déi noutwendeg Temperaturen zu der Waasserstofffusioun net méi erreecht gëtt an e Brongen Zwerg entsteet. Well weeder de Verlaf vun der Degeneratioun vun Elektronen nach d'Eegenschafte vun de liichtste Stären an all hiren Aspekter verstane sinn, variéieren d'Literaturwerte tëscht 70 an 78, nei Rechnunge leien am Beräich vun 72 bis 75 Jupitermassen. Ogrond vun der quantenmechanescher Entartung vun den Elektronen nennt een déi Brong Zwergen, geneesou wéi d'Wäiss Zwergen, Neutronestären an d'Schwaarz Lächer och kompakt Objeten.

D'Fusiounsprozesser liwweren zwar bei jonke Brongen Zwergen e Bäitrag zu der Energiebilanz, si sinn awer a kenger Entwécklungsphas mat dem Bäitrag vun der Gravitatiounsenergie vergläichbar. Dëst féiert dozou, datt Brong Zwerge scho géint Enn vun der Akkretiounsphas ufänken ofzekillen, d'Fusiounsprozesser maachen de Prozess nëmme fir ronn 10 bis 50 Millioune Joer méi lues.

Temperaturtransport

Bei Brongen Zwerge forme sech, wéi och bei Stäre mat manner wéi 0,3 Sonnemassen, am Géigesaz zu de schwéiere Stäre keng Schuelestruktur. Se si vollstänneg konvektiv, dat heescht et gëtt e Matièretransport vum Kär bis zu der Uewerfläch, deen zu enger vollstänneger Duerchmëschung féiert an d'Temperaturverdeelung am ganze Kär bestëmmt. Ënnersich vun de Methanzwerge wéi z. B. Gliese 229 B leeën awer d'Méiglechkeet no, datt bei eeleren, méi kale Brongen Zwergen déi Konvektiounszon net méi bis zu der Uewerfläch reecht a sech dofir méiglecherweis eng änlech Atmosphär wéi op engem Gasris entwéckelt.

Spektralklassen

D'Spektralklassen, déi fir d'Stären definéiert sinn, sinn am enke Sënn net brauchbar fir Brong Zwergen, well et sech net ëm Stären handelt. Bei Temperaturen iwwer 1800 bis 2000 K fale se bei der Observatioun awer an de Beräich vun den L- a M-Stären, well d'optesch Eegenschaften nëmme vun der Temperatur an der Zesummesetzung ofhänken. Dofir ginn d'Spektralklassen och bei de Brongen Zwerge gebraucht, woubäi déi allerdéngs keng direkt Ausso iwwer d'Mass, mä nëmmen iwwer d'Kombinatioun vu Mass an Alter liwwert.

E schwéiere jonke Brongen Zwerg fänkt am mëttleren M-Beräich bei ronn 2900 K un, an duerchleeft all spéider M- an L-Typpen, liicht Brong Zwerge fänke scho bei engem méi spéiden Typ un. Dat ënnescht Enn vun der Haaptsequenz ass net genee bekannt, d'Enn läit méiglecherweis tëscht L2 an L4, d. h. bei Temperaturen ënner 1800 bis 2000 K. Bei spéide, méi kalen Typpen handelt et sech mat Sécherheet ëm Brong Zwergen.

Fir déi méi kal Brong Zwerge wéi z. B. Gliese 229B mat enger Temperatur vu ronn 950 K gouf mat dem T-Typ eng weider Spektralklass agefouert, déi mat Temperaturen ënner ronn 1450 K net méi bei Stären ze gebrauchen ass. Well de Spektrum an deem Temperaturberäich virun allem vu staarke Methanlinne markéiert ass, nennt een d'Brong Zwerge vum T-Typ meeschtens Methanzwergen.

De killste Brongen Zwerg, 2MASS J04151954-0935066, huet bei enger Temperatur vu 600 bis 750 K als T9-Zwerg schonn Ofwäichunge vun den aneren T-Zwergen, soudatt bei der Entdeckung vu méi kalen Objete warscheinlech eng weider Spektralklass agefouert muss ginn. Virum 2MASS J0415-0935 war de Gliese 570D mat ongeféier 800 K als killste Brongen Zwerg bekannt.

Heefegkeet

Zanter der Entdeckung vu Gliese 229B goufen e puer honnert Brong Zwerge fonnt, virun allem bei de Stärenduerchmusterungen 2MASS, DENIS an SDSS souwéi bei intensiven Duerchmusterunge vun Oppene Stärekéip a Stäregebuertsplazen.

Noweismethoden

Brong Zwergen hunn eng niddreg Liichtkraaft a sinn doduerch schwéier z'observéieren, an hirem fréien Entwécklungsstadius sinn si dobäi och nach liicht mat Rouden Zwergen ze verwiesselen. Fir den eendeitegen Noweis vu Brongen Zwerge bestinn e puer Méiglechkeeten:

Liichtkraaft: A Brongen Zwerge spille Fusiounsprozesser bei der Energiefräisetzung nëmmen eng kleng Roll, d'Liichtkraaft vun dësen Objeten hëlt dofir am Laf vun hirer Entwécklung of. Läit déi gemoosse Liichtkraaft ënner där vun de liichtste Stären, déi dem 10⁻⁴-fache vun der Sonneliichtkraaft entsprécht, da kann et sech nëmmen ëm e Brongen Zwerg handelen. D'Liichtkraaft ass awer nëmmen dann als Kriterium ze gebrauchen, wann d'Distanz bekannt ass, wéi z. B. an Stärekéip. Dës Method ass zimmlech onsécher.
Temperatur: Der Liichtkraaft L kann iwwer dat Stefan-Boltzmann-Gesetz rng effektiv Uewerflächentemperatur T_eff konjugéiert ginn mat T_eff ~ L^1/4, déi sech däitlech manner ännert wéi d'Liichtkraaft. D'Temperatur kann zimmlech liicht aus dem Spektrum vum Objets bestëmmt ginn. Ass déi gemoossen Temperatur méi niddreg wéi d'Minimaltemperatur vu ronn 1800 K bei Stären, kann et sech nëmmen ëm Brong Zwergen handelen.
Mass: Bei Duebelsystemer mat engem Brongen Zwerg kann een d'Mass iwwer d'Vermiessung vun der Beweegung ëm de kollektive Schwéierpunkt bestëmmen, och wann de Brongen Zwerg selwer net gesi ka ginn, eng Situatioun, wéi s'och bei Exoplanéite besteet. Déi direkt Bestëmmung vun der Mass ass déi eenzeg Màiglechkeet fir jonk Brong Zwergen op der ieweschter Massegrenz nozeweisen.
Methan: An der Atmosphär vu Brongen Zwerge kënne sech komplex Moleküllen, virun allem Methan, formen. Well dat a Stärenatmosphären net méiglech ass, kann duerch den Noweis vu Methan am Spektrum eendeiteg op e Brongen Zwerg geschloss ginn. Et handelt sech dann ëm en alen a kille Brongen Zwerg vum T-Typ.
Lithium: Den Noweis vun neutralem Lithium am Spektrum bitt eng ganz gutt Méiglechkeet, Brong Zwergen z'identifizéieren an ass an engem wäite Beräich ze gebrauchen. De Lithiumtest gouf 1992 vum Rafael Rebolo virgeschloen a vum Gibor Basri am Joer 1996 fir d'éischt benotzt.

Lithiumtest

Bei enger Mass vun iwwer 65 Jupitermasse gëtt ⁷Lithium an ⁴Helium ëmgesat. Duerch dëse Prozess ass bei ganz liichte Stären de Lithiumbestand no ronn 50 Millioune Joer verbraucht, bei Brongen Zwerge verlängert sech déi Zäitspan op bis zu 250 Millioune Joer. Well liicht Stäre genee wéi Brong Zwerge vollstänneg konvektiv sinn, hëlt d'Lithiumheefegkeet am Géigesaz zu schwéiere Stäre wéi z. B. eis Sonn net nëmmen am Fusiounsberäich vum Kär of, mä et kann och direkt op der Uewerfläch observéiert ginn. De Lithiumnoweis eleng liwwert awer keen eendeitigts Resultat. Lithium ass och a ganz jonke Stären noweisbar, a bei eelere Brongen Zwerge mat Masse vu méi wéi 65 Jupitermassen ass kee Lithium méi ze fannen.

Kann een awer an engem stärenänlechen Objet mat enger Temperatur vu manner wéi 2800 K opfälleg ⁷Lithium-Linnen noweisen, dann handelt et sech eendeiteg ëm ee Brongen Zwerg. D'Linne vum neutrale Lithium leien ausserdeem am rouden Spektralberäich a sinn dofir och mat ierdeschen Teleskopen gutt z'ënnersichen. Dës Method huet sech als Standard fir den Noweis vu Brongen Zwergen etabléiert.

Verdeelung

Stärekéip

Et goufe scho vill Brong Zwergen a jonke Stärekéip wéi z. B. an de Plejaden nogewisen, awer et ass bis elo nach kee Koup komplett duerchsicht ginn. Ausserdeem sinn an dëse Beräicher vill weider Kandidate bekannt, deenen hir Memberschaft zu de Brongen Zwerge resp. dem Stärekoup selwer nach net gekläert sinn. Éischt Analyse sinn am Kader vun der Feelerofschätzung mat der stellaren Massefunktioun veräinbar, awer gëtt et deelweis staark Ofwäichungen. Et ass nach ze fréi, fir doraus eendeiteg op eng verännert Massefunktioun am Beräich vun de Brongen Zwergen ze schléissen.

Stäregebuertsgebidder

A Stäregebuertsgebidder ass et zimmlech schwéier fir de Beweis vu Brongen Zwergen ze bréngen, well si sech opgrond vun hirem kuerzen Alter an hirer héijer Temperatur nëmme wéineg vu liichte Stären ënnerscheeden. Een weidert Problem an dëse Regiounen ass deen héije Stëbsundeel, deen duerch héich Extinktiounsraten d'Observatiounen erschwéieren.

Duebelstären

Bei Systemer mat Brongen Zwerge bitt sech no éischte Resultater vun de Stärenduerchmusterunge follgend Bild:

Bei vollstännegen Duerchmusterunge vun den F- bis M0-Stären an der Sonnenëmgéigend goufen nëmmen e puer Brong Zwergen an enken Duebelsystemer mat engem Ofstand vu manner wéi dräi Astronomesch Eenheeten (AE) fonnt, wärend dës Ofstänn bei 13 Prozent vun den Duebelstäresystemer optrieden. Dës Observatioune ginn an der Literatur meeschtens als Brown Dwarf Desert beschriwwen. Bei gréisseren Ofstänn iwwer 1000 AE schéngt allerdéngs keen Ënnerscheed tëscht stellare Begleeder a Brongen Zwergen ze bestoen, dës Follgerung berout awer op enger Héichrechnung vu wéinegen Observatiounen an ass dofir nach onsécher.
Ronn 20 Prozent vun den L-Zwergen, bei deenen et sech méiglecherweis zum groussen Deel ëm Brong Zwergen handelt, hunn e weidere Brongen Zwerg als Begleeder. Et goufen awer keng Duebelsystemer mat engem Ofstand vu méi wéi 20 AE fonnt.

Kuckt och

Schematesche Gréisstevergläich tëscht Sonn, Brongem Zwerg, Jupiter an Äerd (v.l., NASA)

Portal Astronomie

Literatur

Ben R. Oppenheimer, S. R. Kulkarni, John R. Stauffer: Brown Dwarfs. In: Protostars and Planets. Bd 4. University of Arizona Press, Tucson 1999, Academic Press, San Diego Cal 2000 (PDF, gute, sehr umfangreiche Übersicht des Wissensstandes von 1998).
Shiv S. Kumar: The Bottom of the Main Sequence and Beyond. Speculations, Calculations, Observations, and Discoveries (1958-2002). ASP Conference Series. Bd 30. Astronomical Society of the Pacific, San Francisco Cal 2002 (PDF, Ausführliche Schilderung über die wissenschaftliche Akzeptanz in den 1960ern).
Gilles Chabrier: The Physics of Brown Dwarfs. In: Journal of physics. Condensed Matter. IOP, Bristol 10.1998, S.11263 (PDF, physikalische Theorie der Braunen Zwerge, sehr formellastig).
Bo Reipurth, Cathie Clarke: The Formation of Brown Dwarfs as Ejected Stellar Embryos. In: The Astronomical Journal. Univ. of Chicago Press, Chicago Ill 122.2001, S.432-439 (Grundlagen und Diskussion dieses Entstehungsmodells).
Ray Jayawardhana, Subhanjoy Mohanti, Gibor Basri: Evidence for a T Tauri Phase in Young Brown Dwarfs. In: The Astrophysical Journal. Univ. of Chicago Pr., Chicago Ill 592.2003, S.282-287 (PDF)
Coryn Bailer-Jones, Wolfgang Brandner, Thomas Henning: Braune Zwerge. Entstehung, Scheiben, Doppelsysteme und Atmosphären. in: Sterne und Weltraum. Spektrum der Wissenschaft, Heidelberg 2.2006,45, S.34-42.
I.N. Reid and S.L. Hawley: New Light On Dark Stars - Red Dwarfs, Low-Mass Stars, Brown Dwarfs, Springer, Berlin; Auflage: 2nd rev. ed. (Juni 2005)

Um Spaweck

Commons: Brong Zwergen – Biller, Videoen oder Audiodateien