Wie Braune Zwerge entstehen

Braune Zwerge nehmen eine Zwischen­stellung zwischen Sternen und Planeten ein: Sie haben nicht genügend Masse, um in ihrem Kern Wasserstoff zu verbrennen und wie Sterne zu leuchten. Astrophysiker diskutieren seit langem, ob die Entstehung von Braunen Zwergen einfach eine verkleinerte Version der Entstehung von sonnen­ähnlichen Sternen ist. Im Fokus haben die Forscher daher insbesondere die jüngsten Braunen Zwerge, die nur wenige tausend Jahre alt sind und sich noch in der frühen Entstehung­sphase befinden. Die Wissen­schaftler wollen wissen, ob die Zusammen­setzung von Gas und Staub dieser jungen Braunen Zwerge jener in den jüngsten sonnen­ähnlichen Proto-Sternen ähnelt.

Im Mittelpunkt des Interesses steht dabei Methan, ein einfaches und sehr stabiles Gasmolekül, das, wenn es einmal entstanden ist, nur durch energie­reiche physi­ka­lische Vorgänge zerstört werden kann. Man findet es daher in mehreren extra­solaren Planeten. In der Vergangen­heit hat Methan eine grund­legende Rolle bei der Suche und Unter­suchung der Eigen­schaften der ältesten Braunen Zwerge in unserer Galaxie gespielt, die einige hundert Millionen bis Milliarden Jahre alt sind. Jetzt hat ein Team um Basmah RIaz von der Uni München erstmals eindeutig deuteriertes Methan in drei verschiedenen Proto-Braunen-Zwergen nach­ge­wiesen. Es ist der erste klare Nachweis dieser Verbindung außerhalb des Sonnen­systems.

Die jungen Braunen Zwerge sind sehr kalt und dicht. Das macht es schwierig, sie im nahen Infrarot auf Methan­signaturen hin zu unter­suchen. Im Millimeter-Wellen­bereich dagegen lassen sie sich leicht beobachten. Dort lässt sich zwar kein Methan nachweisen, das aufgrund seiner Symmetrie keine spektrale Signatur im Radiobereich hat, aber eben deuteriertes Methan CH₃D.

Der erste Nachweis von CH₃D ist umso erstaunlicher, weil nach gängigen Theorien zur Entstehung Brauner Zwerge die Proto-Braunen-Zwerge mit zehn Kelvin kühler und dichter sind als Proto-Sterne. Nach der chemischen Theorie wird CH₃D bevorzugt gebildet, wenn das Gas warm ist, also bei Temperaturen um zwanzig bis dreißig Kelvin. „Die Messungen implizieren, dass zumindest ein signi­fi­kanter Anteil des Gases in einem Proto-Braunen-Zwerg wärmer als zehn Kelvin ist, sonst dürfte CH₃D dort überhaupt nicht vorkommen“, sagt Riaz. Die CH₃D -Häufigkeits­messung liefert den Wissen­schaftlern auch eine Schätzung der Methan­häufigkeit.

Unerwartet ist auch, dass das Team CH₃D in drei Proto-Braunen-Zwergen nach­ge­wiesen hat, während dieses bisher nur bei einem sonnen­ähnlichen Proto-Stern gelang. Das bedeutet, dass Proto-Braune-Zwerge eine reich­haltige warme organische Chemie aufweisen und dass diese kühlen, kompakten astro­physi­ka­lischen Objekte möglicher­weise nicht einfach eine verkleinerte Nachbildung von Protosternen sind.

„Das Methan in den Proto-Braunen-Zwergen könnte in den ältesten Braunen Zwergen überleben oder auch nicht“, sagt Wing-Fai Thi vom MPI für extra­terrestrische Physik. Da eine warme Umgebung die Bildung komplexerer Moleküle begünstigt, sind Proto-Braune-Zwerge interessante Objekte, um in Zukunft nach solchen Molekülen zu suchen.

LMU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  B. Riaz et al.: First CH₃D detection in Class 0/I proto-brown dwarfs: constraints on CH4 abundances, Mon. Not. R. Astron. Soc. 511, L50 (2022); DOI: 10.1093/mnrasl/slac007
• Young Stars & Star Formation, Universitäts-Sternwarte München, Ludwig-Maximilians-Universität München