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Erste Oberflächenkarte eines Braunen Zwergs liefert den fernsten Wetterbericht aller Zeiten

30.01.2014
Astronomen haben die erste Detailuntersuchung von Atmosphäreneigenschaften – das Analogon einer Wetterkarte – eines Braunen Zwergs (Mittelding zwischen Stern und Planet) veröffentlicht

Die erste Oberflächenkarte eines Braunen Zwergs überhaupt sowie Messungen, die Atmosphäreneigenschaften in unterschiedlichen Höhenlagen erfassen. Die Ergebnisse läuten eine neue Ära der Erforschung Brauner Zwerge ein, in der Astronomen Modelle für die Wolkenbildung auf diesen Gebilden – und später auch auf riesigen Gasplaneten – anhand von Beobachtungen überprüfen können. Sie wurden in den Fachzeitschriften Nature und Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.


Teilansicht der Oberflächenkarte des Braunen Zwergs Luhman 16B

Bild: ESO / I. Crossfield

Braune Zwerge sind sonderbare Objekte: sie besitzen eine größere Masse als Planeten, sind aber nicht massereich genug, dass in ihren Zentralbereichen die Kernfusion zünden kann, die Sterne zum Leuchten bringt. Als im März 2013 die Entdeckung eines Systems aus zwei einander umkreisenden Braunen Zwergen in einer Entfernung von bloßen 6,5 Lichtjahren von der Sonne bekanntgegeben wurde (nur zwei Sterne bzw. Sternensysteme sind der Erde näher als das!), war klar, dass Astronomen nun die Möglichkeit haben würden, diese ungewöhnlichen Gebilde genauer zu untersuchen als jemals zuvor.

Die Braunen Zwerge werden nach ihrem Entdecker als Luhman 16A und Luhman 16B bezeichnet. Zwei Studien zu diesen Objekten sind jetzt veröffentlicht worden – und läuten in der Tat den Beginn einer neuen Ära der Erforschung Brauner Zwerge ein.

Die erste der Studien, unter der Leitung von Ian Crossfield vom Max-Planck-Institut für Astronomie, präsentiert etwas, das es für Braune Zwerge bislang überhaupt noch nicht gegeben hat: eine Oberflächenkarte von Luhman 16B, erstellt mit einem Verfahren, das (dem englischen Sprachgebrauch folgend) Doppler Imaging heißt. Crossfield erklärt: »Frühere Beobachtungen haben bereits Hinweise darauf ergeben, dass Braune Zwerge eine gefleckte Oberfläche besitzen sollten. Jetzt können wir solch eine Oberfläche direkt kartieren. Bei dem, was wir sehen, dürfte es sich um eine unregelmäßige Wolkendecke handeln, nicht unähnlich der Oberfläche des Planeten Jupiter.«

Die Karten, die Crossfield und seine Kollegen erstellt haben, sind so etwas wie grobe Versionen von Wetterkarten, wie wir sie von Satellitenbildern unseres Heimatplaneten kennen. Crossfield fügt hinzu: »In Zukunft sollten wir dabei zusehen können, wie auf Luhman 16B Wolken neu entstehen, sich entwickeln und wieder verschwinden – vielleicht sind Exo-Meteorologen dann irgendwann in der Lage vorherzusagen, wann ein Besucher auf Luhman 16B klaren oder bewölkten Himmel erwarten könnte.«

Für menschliche Bedürfnisse dürfte die Vorhersage auf Luhman 16B allerdings zu allen Zeiten »äußerst unangenehmes Wetter« lauten: Bei Temperaturen von mehr als 1000 Grad Celsius handelt es sich um olken aus winzigen Tröpfchen flüssigen Eisens und verschiedenen Mineralen, die in einer Wasserstoff-Atmosphäre schweben.

Die zweite Studie, die von Beth Biller geleitet wurde (jetzt an der Universität Edinburgh, während dieser Forschungen noch am Max-Planck-Institut für Astronomie) geht im wörtlichen Sinne weiter in die Tiefe. Wenn hellere und dunklere Wolken ins Blickfeld rotieren und wieder außer Sicht geraten, dann ändert sich auch die Gesamthelligkeit des Braunen Zwergs. Durch gleichzeitige Beobachtung der Helligkeitsveränderungen bei unterschiedlichen Wellenlängen konnten Biller und ihre Kollegen rekonstruieren, was in unterschiedlichen Atmosphärenschichten sowohl von Luhman 16A als auch von Luhman 16B vor sich geht.

Biller sagt: »Unsere Daten zeigen, dass das Wettergeschehen auf diesen Braunen Zwergen durchaus komplex ist. Die Wolkenstruktur variiert, je nachdem wie tief man in die Atmophäre blickt – wir haben es definitiv mit mehr als einer einzigen Wolkenschicht zu tun.«

Die neuen Ergebnisse dürften Auftakt einer neuen Phase für die Erforschung Brauner Zwerge sein, in der Theoretiker Modelle für die Wolkenstruktur von Braunen Zwergen formulieren – und diese Modelle durch den Vergleich mit detaillierten Beobachtungen testen können.

Beth Biller sagt: »Besonders aufregend ist für uns, dass unsere Beobachtungen nur der Anfang sind. Mit der nächsten Generation von Teleskopen, insbesondere mit dem European Extremely Large Telescope mit seinem Spiegeldurchmesser von 39 Metern, sollten wir Oberflächenkarten für noch entferntere Braune Zwerge erstellen können – und irgendwann dann auch einmal für junge Gasplaneten anderer Sterne.«

Kontakt

Ian Crossfield (Erstautor Wolkenkarte)
Max-Planck-Institut für Astronomie
Heidelberg
Telefon: (+49|0) 6221 – 528 405
E-Mail: ianc@mpia.de
Beth Biller (Erstautor Helligkeitsveränderungen)
University of Edinburgh (vorher am Max-Planck-Institut für Astronomie)
Edinburgh, Scotland
Telefon: (+44|0) 131 668 8349
E-Mail: bb@roe.ac.uk
Markus Pössel (Öffentlichkeitsarbeit)
Max-Planck-Institut für Astronomie
Heidelberg
Telefon: (+49|0) 6221 – 528 261
E-Mail: pr@mpia.de
Hintergrundinformationen
Die hier beschriebenen Ergebnisse sind veröffentlicht als Crossfield et al., »Mapping Patchy Clouds on a Nearby Brown Dwarf« in der Ausgabe vom 30. Januar 2014 der Fachzeitschrift Nature.

Die beteiligten Forscher sind Ian J. M. Crossfield (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg [MPIA]), Beth A. Biller (MPIA und Institute for Astronomy, University of Edinburgh), Joshua Schlieder, Niall R. Deacon und Mickaël Bonnefoy (alle MPIA), Derek Homeier und France Allard (beide CRAL-ENS, Lyon), Esther Buenzli, Thomas Henning, Wolfgang Brandner und Bertrand Goldman (alle MPIA) und Taisiya Kopytova (MPIA und International Max-Planck Research School for Astronomy and Cosmic Physics der Universität Heidelberg).

Die Ergebnisse zu den Helligkeitsveränderungen bei Luhman 16A und 16B sind veröffentlicht als Biller et al., »Weather on the Nearest Brown Dwarfs: Resolved Simultaneous Multi-Wavelength Variability Monitoring of WISE J104915.57-531906.1AB« in Astrophysical Journal Letters Bd. 778 Ausgabe 1, Artikel-Nummer L10.

Die beteiligten Forscher sind Beth A. Biller (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg [MPIA] und Institute for Astronomy, University of Edinburgh), Ian J.M. Crossfield, Luigi Mancini und Simona Ciceri (alle MPIA), John Southworth (Astrophysics Group, Keele University), Taisiya G. Kopytova (MPIA und International Max-Planck Research School for Astronomy and Cosmic Physics der Universität Heidelberg), Mickaël Bonnefoy, Niall R. Deacon, Joshua E. Schlieder, Esther Buenzli und Wolfgang Brandner (alle MPIA), France Allard und Derek Homeier (beide Centre de Recherche Astrophysique de Lyon), Bernd Freytag (Department of Physics and Astronomy, Uppsala Universitet), Coryn A.L. Bailer-Jones (MPIA), Jochen Greiner (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching) sowie Thomas Henning und Bertrand Goldman (beide MPIA).

Fragen und Antworten

Was ist an diesen Ergebnissen neu bzw. wichtig?
Die hier beschriebenen Ergebnisse liefern zum einen die erste Karte der Oberfläche eines Braunen Zwergs, zum anderen die erste Erfassung von Helligkeitsveränderungen bei Braunen Zwergen in mehr als zwei Wellenlängenbereichen gleichzeitig (wodurch sich Informationen über unterschiedliche Atmosphärenschichten gewinnen lassen).

In den Daten lassen sich unterschiedliche Wolkenregionen auseinanderhalten – und die Analyse der Helligkeitsvariationen zeigt, dass der Braune Zwerg mehr als eine Atmosphärenschicht mit Wolken und/oder lokalen Temperaturveränderungen besitzen muss. Das ist das erste Mal, das sich solche komplexen Wetterverhältnisse auf einem Braunen Zwerg in dieser Weise nachweisen lassen.

Jetzt sind die Theoretiker am Zug, bessere und detaillreichere Modelle für die Atmosphärenstruktur von Braunen Zwergen zu liefern – die im Zusammenspiel mit neuen Beobachtungsdaten wie den hier beschriebenen dazu führen sollten, dass wir Braune Zwerge deutlich besser verstehen als jetzt.

Die Messungen sind noch in einem allgemeineren Zusammenhang von Interesse. Es gibt zwar einige Vorschläge dafür, wie sich Wetterverhältnisse und Oberflächeneigenschaften von kleinen, kühlen, erdähnlichen Planeten um andere Sterne modellieren lassen. Aber die Beobachtungen, anhand derer man solche Modelle testen und solche Eigenschaften beobachten könnte, dürften noch einige Jahrzehnte auf sich warten lassen. Die jetzt veröffentlichte Karte eines Braunen Zwergs, die Tiefeninformationen von Biller und Kollegen sowie jüngst veröffentlichte, deutlich niedriger aufgelöste Karten einer Exoplaneten-Oberfläche, sind wichtige Schritte in Richtung dieses fernen Ziels.

Die nächsten Schritte wird voraussichtlich das SPHERE-Instrument unternehmen, das Anfang 2014 am Very Large Telescope am Paranal-Observatorium der ESO aufnehmen wird. SPHERE wurde von einem Konsortium unter der Leitung von Jean-Luc Beuzit (PI) vom Laboratoire d'Astrophysique de l'Observatoire de Grenoble und Markus Feldt (Co-PI) vom Max-Planck-Institut für Astronomie entwickelt und sollte Messungen wie die hier vorgestellten für Gasriesen vornehmen können, die andere Sterne umkreisen als die Sonne.

Welche Instrumente/Teleskope wurden verwendet?
Die Oberflächenkarte des Braunen Zwergs wurde aus spektroskopischen Daten rekonstruiert, die im Mai 2013 mit dem Spektrografen CRIRES aufgenommen worden. CRIRES ist an einem der 8-Meter Very Large Telescope (VLT) am Paranal-Observatorium der Europäischen Südsternwarte (ESO) installiert.

Die Helligkeitsmessungen von Biller und Kollegen wurden im April 2013 mit der astronomischen Kamera GROND am 2,2-Meter-Teleskop am La Silla-Observatorium der ESO aufgenommen. GROND wurde von der Hochenergie-Gruppe am Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching in Zusammenarbeit mit der Landessternwarte Tautenburg und der ESO gebaut und kann Bilder einer Himmelsregion simultan in sieben verschiedenen Wellenlängenbereichen aufnehmen.

Die sich umkreisenden beiden Braunen Zwerge, um die es bei dieser Forschung geht, wurden Mitte März 2013 von Kevin Luhman von der Pennsylvania State University in Daten des NASA-Infrarot-Weltraumteleskops WISE entdeckt. Ihre Katalognummern sind WISE J104915.57-531906.1 A und B, wobei A und B im Sprachgebrauch der Astronomen die beiden Komponenten eines Doppelsternsystems bezeichnen. Dass das letzte Mal ein der Erde derart nahes System entdeckt wurde, ist inzwischen fast ein Jahrhundert her. Das System liegt nur ein wenig weiter entfernt als der zur Erde zweitnächste Stern, Barnards Pfeilstern, der 1916 entdeckt wurde. Da Luhman vorher bereits 15 andere Doppelsternsysteme entdeckt hatte, wird das neue System auch als Luhman 16 bezeichnet – eine Konvention, die auch wir in diesem Text verwenden.

Wie haben die Forscher die Oberflächenkarte erstellt und die Schichtstruktur der Atmosphäre rekonstruiert?

Mit der zur Zeit verfügbaren Technik ist es unmöglich, Oberflächenkarten dieses Braunen Zwergs (oder anderer ferner Sterne oder Braunen Zwerge) in der gleichen Weise zu erstellen, wie wir z.B. die Wolkenbänder des Jupiter kartieren würden, also mithilfe räumlich aufgelöster Bilder, auf denen sich die Details der Oberfläche unterscheiden lassen.

Stattdessen kommt eine indirekte Methode zum Einsatz, die Astronomen, dem englischen Sprachgebrauch folgend, als Doppler Imaging bezeichnen. Die Methode nutzt aus, dass die Frequenzen des Lichts eines Sterns in ganz bestimmter Weise verschoben werden, während der Stern rotiert. Aus diesen systematischen Verschiebungen lässt sich eine ungefähre Karte der Sternoberfläche rekonstruieren.

Um ein ungefähres Verständnis dafür zu bekommen, wie das funktioniert, stellen Sie sich bitte vor, dass Sie hoch über dem Äquator der Erde schweben und verfolgen, wie die Erde unter ihnen vorbeirotiert. Wenn ein Objekt, das am Erdäquator sitzt, gerade in Sicht kommt, also gerade erst über dem Horizont auftaucht, bewegt es sich zunächst recht schnell auf sie zu. Während es direkt unter Ihnen vorbeiläuft, ändert sich sein Abstand zu Ihnen im Vergleich dazu so gut wie kaum. Rotiert das Objekt über den gegenüberliegenden Horizont wieder außer Sicht, dann ändert sich sein Abstand von Ihnen wieder deutlich schneller. Ein Objekt, das nicht am Äquator ruht, sondern in höheren (nördlichen oder südlichen) Breiten, folgt dem gleichen Bewegungsmuster – nur, dass die Bewegungen auf den Beobachter zu oder von ihm Weg nicht so ausgeprägt sind wie für ein Objekt am Äquator. Für ein Objekt an einem der Pole bewirkt die Erdrotation keinerlei Abstandsänderungen relativ zu Ihnen.

Stellen Sie sich die gleiche Situation jetzt bitte für einen Braunen Zwerg vor. Wenn ein hellerer Fleck auf der Oberfläche des Braunen Zwergs in Sicht rotiert, wird die Art und Weise, inwieweit sich dieser Fleck direkt auf Sie zu oder von Ihnen weg bewegt, davon abhängen, wo er sich auf der Oberfläche befindet – insbesondere: wieweit entfernt vom Äquator des Braunen Zwergs. (Zusätzlich spielt natürlich eine Rolle, wie die Drehachse des Braunen Zwergs relativ zu uns als Beobachter orientiert ist – direkt über dem Äquator, wie im vorigen Beispiel, werden wir uns nur in Ausnahmefällen befinden.)

Im Falle des Braunen Zwergs können die Astronomen zwar die Reise des Flecks nicht direkt verfolgen, da sie schlicht nicht über genügend hoch aufgelöste Bilder verfügen. Aber die Bewegung in Richtung Beobachter oder von ihm weg zu lässt sich indirekt über den Dopplereffekt nachweisen: Licht verändert seine Wellenlänge in systematischer Weise, wenn sich die Lichtquelle auf den Beobachter zu oder von ihm weg bewegt; das Ausmaß der Veränderung hängt davon ab, wie schnell die Bewegung erfolgt (und in welche der beiden Richtungen). Für hellere Flecken auf der Oberfläche eines rotierenden Sterns ergibt sich so ein Muster von miteinander überlagerten Wellenlängenverschiebungen für das empfangene Licht.

Die Details dieses Musters hängen von der Position der Flecken auf der Oberfläche ab, und deswegen lassen sich umgekehrt aus den Details des Musters Rückschlüsse darauf ziehen, wo auf der Oberfläche sich hellere Flecken befinden und auch darauf, wie hell diese sind. Die Rekonstruktion der Oberfläche ist dabei nicht ganz eindeutig und mit einiger Unsicherheit behaftet. Die hier gezeigte Karte ist jedenfalls diejenige Oberflächenstruktur, die den vielen Dopplermessungen von Crossfield und Kollegen nach am wahrscheinlichsten ist.

Die Messungen der Helligkeitsveränderungen von Biller und ihren Kollegen erfolgten gleichzeitig in sieben verschiedenen Wellenlängenbereiche. Wieviel Licht Gas in diesen Wellenlängenbereichen jeweils aussendet, hängt direkt mit der Temperatur des Gases zusammen, und die sieben Wellenlängenbereiche entsprechen damit aller Wahrscheinlichkeit nach verschiedenen Atmosphärenschichten unterschiedlicher Temperatur in der Atmosphäre des Braunen Zwergs. So ermöglichen es die Messungen der Helligkeitsänderungen, verschiedene Atmosphärenschichten zu untersuchen – mit dem bereits erwähnten Ergebnis, dass die Wetterverhältnisse auf den Braunen Zwergen Luhman 16A und 16B durchaus komplex und nicht allein durch Wolken in einer einzigen Atmosphärenschicht erklärbar sind.

Dr. Markus Pössel | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpia.de/Public/menu_q2.php?Aktuelles/PR/2014/PR_2014_02/PR_2014_02_de.html

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