Auf den ersten Blick haben sie wenig gemeinsam: Sterne sind gewaltige leuchtende Gasbälle, und die viel kleineren kalten Planeten werden von ihnen beleuchtet. Doch bei großen Gasplaneten wie Jupiter ist die Verschiedenheit nicht mehr so kraß. Als gravierendes Unterscheidungsmerkmal bleibt nur die Masse. Masse haben Sterne bei ihrer Geburt aus einer kollabierenden interstellaren Gaswolke riesige Mengen mitbekommen – genug, daß die durch den Schweredruck im Innern erzeugte Temperatur ausreicht, um durch atomare Verschmelzung Strahlung zu erzeugen. Sterne erzeugen ihre Energie durch Kernfusion und strahlen deshalb im eigenen Licht. Dafür benötigen sie mindestens acht Prozent der Sonnenmasse. Planeten dagegen sind “tote” Himmelskörper, die nicht selbst leuchten, ihre zu geringe Masse erlaubt keine Kernfusion. Bei ihrer Entstehung müssen sie mit den bescheidenen Gas- und Staubmengen vorliebnehmen, die der junge Zentralstern in der ihn umgebenden Materiescheibe übriggelassen hat. Doch die Entdeckung fremder Planeten zeigt, daß es auch unter diesen besonders massereiche Exemplare gibt, wie den Begleiter des Sterns 70 Virginis oder des Sterns HD 114762. Die beiden Gasgiganten werden auf rund sieben beziehungsweise zehn Jupitermassen geschätzt. Sie werden deshalb von den Astronomen auch als Superplaneten bezeichnet. Sie schließen an eine Klasse von obskuren Himmelskörpern an, die nicht mehr Planet und noch nicht Stern sind: Braune Zwerge. Modelle sagen voraus, daß es sich bei ihnen um riesige nicht-leuchtende Gaskugeln handelt, die in Aufbau und Zusammensetzung einem jupiterartigen Planeten sehr ähneln. Ihre Massen sind zwischen 10- und 80mal höher als die von Jupiter.
Lange Zeit lag die Natur der substellaren Himmelskörper buchstäblich im Dunkeln. Dann entdeckten Tadashi Nakajima und Ben Oppenheimer vom California Institute of Technology 1995 den ersten Braunen Zwerg: Gliese 229 B. Als Trabant kreist er um einen lichtschwachen roten Zwergstern mit Namen Gliese 229 A. Der Braune Zwerg in Sonnennachbarschaft ist mit optischen Methoden kaum sichtbar zu machen: Er hat nur ein Sechsmillionstel der Sonnenleuchtkraft. Das Spektrum von Gliese 229 B besitzt eine Besonderheit: Es zeigt den unverwechselbaren Fingerabdruck von Methan. Diese Verbindung aus Kohlenstoff und Wasserstoff mit der Formel CH4 ist nur bei einer relativ kühlen Oberflächentemperatur von höchstens 1200 Grad beständig. Sie ist mit weiteren Kohlenwasserstoffen auch Bestandteil der Jupiter-Atmosphäre. Hier sorgt sie vermutlich mit zusätzlichen, noch nicht näher bekannten Stoffen für das farbige Wolkenspiel des Gasplaneten. Auch in den Atmosphären von Saturn, Uranus und Neptun wurde Methan nachgewiesen.
“Plötzlich hatten wir ein unabhängiges Indiz für die substellare Natur von Gliese 229 B in der Hand”, erinnert sich Ben Oppenheimer. “Der Fund ließ erwarten, daß ein Brauner Zwerg mit einer Oberflächentemperatur um 1000 Grad dem frühen Jupiter sehr ähnlich ist”, stellt der Wissenschaftler fest. Eine wichtige Entdeckung, an die eine neue Frage knüpfte: War Gliese 229 B nur ein Einzelfall, gewissermaßen ein Unfall der Natur, oder gab es die lang gesuchte Klasse von Himmelskörpern, das Bindeglied zwischen den masseärmsten Sternen und den Superplaneten tatsächlich?
Diese Zweifel sind ausgeräumt, seit eine spektroskopische Himmelsdurchmusterung amerikanischer Astronomen, der sogenannte Sloan Digital Sky Survey (SDSS), einen weiteren methanhaltigen Braunen Zwerg aufgespürt hat. Er hat die Bezeichnung SDSS 1624+00, steht im Sternbild Schlangenträger (Ophiuchus) und ist rund 30 Lichtjahre von der Sonne entfernt. Wie bei Gliese 229 B zeigt auch sein Spektrum im Infraroten eindeutig Methan in der Atmosphäre. Anders als Gliese 229 B ist SDSS 1624+00 jedoch ein kosmischer Einzelgänger. Die Unterschiede sprechen nach Ansicht von Peter Bodenheimer von der University of California in Santa Cruz für einen uneinheitlichen Entstehungsmechanismus bei Braunen Zwergen. Modellrechnungen des Forschers zeigen, daß diese Himmelskörper sowohl durch den Schwerkraftkollaps einer interstellaren Materiewolke als auch durch deren Zerfall in ungleich große und miteinander wechselwirkende Teilwolken entstehen können. Auch zum Lebenslauf und dem inneren Aufbau der substellaren Himmelskörper geben Modelle wichtige Hinweise. Am Anfang seines Lebens kann ein Brauner Zwerg – ähnlich wie ein Stern – in seinem Innern Wasserstoff atomar verbrennen. Wegen seiner geringen Masse währt diese stellare Phase nur relativ kurze Zeit: zwischen einigen Millionen und mehreren hundert Millionen Jahren. Ist das atomare Strohfeuer erloschen, kühlt die Materie langsam ab – ein Vorgang, der Milliarden Jahre in Anspruch nimmt. Einige Modelle sagen dabei sogar die Bildung von mikroskopisch kleinen Silikat- und Eisenkörnchen voraus. Hat der abkühlende Braune Zwerg eine Oberflächentemperatur von nur noch einigen hundert bis höchstens tausend Grad erreicht, differenziert er sich in einen kompakten Kern aus flüssigem, metallischem Wasserstoff und eine Gashülle aus vorwiegend molekularem Wasserstoff. In seinem Aufbau entspricht er dann Jupiter. Auch über das Erscheinungsbild der Braunen Zwerge haben sich die Wissenschaftler Gedanken gemacht. Denkbar wäre, daß ihre Atmosphäre ein gebändertes Aussehen hat, wie wir es von Jupiter und Saturn her kennen. Methanhaltige Braune Zwerge stehen in enger Beziehung zu einer weiteren Unterklasse dieser Himmelskörper, die sich mit Geschwindigkeiten bis zu 80 Kilometer pro Sekunde um die eigene Achse drehen. Hohe Rotationsgeschwindigkeiten können zu einem auffälligen Effekt führen, der auch von den rasch rotierenden großen Gasplaneten im Sonnensystem bekannt ist: Durch ihre Atmosphären ziehen sich abwechselnd dunkle und helle Wolkenbänder parallel zum Äquator rings um den Planeten. Offensichtlich entsteht das Streifenmuster durch die atmosphärische Zirkulation warmer aufsteigender und abkühlender fallender Wolken. Simulationen haben gezeigt, daß die Atmosphären Brauner Zwerge sehr ähnlich aussehen könnten: Aus dem Innern der Himmelskörper dringen Gase mit der aufsteigenden Wärme an die Oberfläche, kühlen ab und sinken wieder in die Tiefe. Die rasche Rotation zieht die Konvektionszellen an der Oberfläche zu Bändern auseinander. Die Funde von Himmelskörpern, die aufgrund ihrer bescheidenen Masse nicht zu den echten Sternen zählen, aber doch keine Planeten sind, haben auch zu einer Erweiterung der Sterntypenklassen geführt.
Sterne werden aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften wie Leuchtkraft und Oberflächentemperatur in Spektralklassen eingeteilt. Von den heißesten, blau gleißenden bis zu den schwach rot glimmenden Sonnen findet sich der überwiegende Teil der Sterne in den “Hauptklassen”, die die Buchstaben O, B, A, F, G, K und M als Namen tragen. Beispielsweise gehört unsere Sonne, ein Durchschnittsstern mit einer Oberflächentemperatur von knapp 6000 Grad, zur Spektralklasse G, liegt also im Mittelfeld. Am kühlen, roten Ende der Reihe zweigt eine Außenseitergruppe von sehr kühlen Riesensternen ab, die mit R, N und S bezeichnet werden. Diese Kurznamen der Spektralklassen sind historisch bedingt, wurden früher mehrfach umgestellt und folgen deshalb keiner alphabetischen Reihenfolge. Gewitzte amerikanische Astronomen haben darauf den Merkspruch “O be a fine girl, kiss me right now, smack” als Eselsbrücke gedichtet. An die echten kühlen M-Sterne, die Oberflächentemperaturen von nur noch 2500 Grad aufweisen, gliedern sich nun zwei neue Typen an und erweitern die Klassifikation zu den substellaren Himmelskörpern. Hier finden sich als leuchtschwächste Objekte die methanhaltigen Braunen “L”-Zwerge und die rasch rotierenden Braunen “T”-Zwerge. Nach einer originellen Fortsetzung des Merkspruchs wird noch gesucht.
Silvia von der Weiden
