Webb entdeckt rekordleichte Braune Zwerge in IC 348

Das James-Webb-Weltraumteleskop hat im jungen Sternentstehungsgebiet IC 348 Braune Zwerge mit geschätzten Massen von nur rund zwei Jupitermassen aufgespürt. Diese frei im Raum schwebenden Objekte liegen an der unscharfen Grenze zwischen Planeten und „gescheiterten Sternen“ – und liefern einen besonders anspruchsvollen Test für die Frage, wie klein ein Körper sein kann, der direkt in einer Sternentstehungswolke entsteht. 1

Wie Webb diese extrem schwachen Objekte fand

IC 348 liegt etwa 1.000 Lichtjahre entfernt in der Sternentstehungsregion Perseus. Im nahen Infrarot kann Webb dort nicht nur junge, helle Sterne sowie Staub und eingebettete Quellen erkennen. Seine hohe Empfindlichkeit macht auch sehr kühle und lichtschwache Objekte unterhalb der Sternmasse sichtbar. 1

Die Suche erfolgte in zwei Schritten:

1. NIRCam-Aufnahmen erfassten die Infrarothelligkeit und -farben möglicher Kandidaten. Junge, kühle Braune Zwerge heben sich in diesen Daten von gewöhnlichen Sternen und vielen Hintergrundquellen ab.
2. NIRSpec-Spektren untersuchten ausgewählte Kandidaten genauer. Die Spektren liefern Hinweise auf kühle, junge substellare Atmosphären und ermöglichen Schätzungen physikalischer Eigenschaften wie der Masse.

Damit ging die Untersuchung über einen früheren Webb-Befund in IC 348 hinaus: Zunächst waren drei frei schwebende Braune Zwerge unter acht Jupitermassen gefunden worden, darunter einer mit geschätzt drei bis vier Jupitermassen. Die vertiefende Nachbeobachtung identifizierte nun neue Mitglieder mit Schätzungen nahe zwei Jupitermassen. 3

Warum zwei Jupitermassen so bedeutsam sind

Braune Zwerge sind zu massearm, um – wie gewöhnliche Sterne – dauerhaft Wasserstofffusion in ihrem Inneren aufrechtzuerhalten. Massereichere Exemplare können zeitweise Deuterium fusionieren, werden aber nicht zu langlebigen wasserstoffbrennenden Sternen.

Die masseärmsten Mitglieder von IC 348 haben ähnliche Massen wie Riesenplaneten, kreisen jedoch nicht um einen Stern. In diesem Bereich entscheidet die Masse allein nicht über die Bezeichnung: Ein Objekt kann planetenähnlich leicht sein, aber als Brauner Zwerg oder Objekt planetarer Masse gelten, wenn seine Entstehung eher der eines Sterns als der Planetenbildung in einer Scheibe ähnelt.

Genau das macht den Fund wichtig. Nach herkömmlichen Modellen ist es schwierig, isolierte Objekte von nur wenigen Jupitermassen durch Fragmentierung einer Gaswolke hervorzubringen. NASA bewertet die neuen Funde daher als Herausforderung für Modelle der Sternentstehung. Die Beobachtungen setzen eine neue Untergrenze für IC 348, verraten aber noch nicht, über welchen Entstehungsweg diese Körper entstanden sind. 1

Die Massen sind Schätzwerte

„Etwa zwei Jupitermassen“ ist keine direkte Wägung. Bei sehr jungen Braunen Zwergen kombinieren Forschende gemessene Leuchtkraft und Spektren mit Entwicklungsmodellen. Diese sagen voraus, wie ein Objekt im Laufe der Zeit abkühlt und schwächer wird. Die daraus abgeleitete Masse hängt deshalb unter anderem von Annahmen über Alter und frühe Entwicklung ab.

Der zentrale Befund ist somit am besten als Beleg dafür zu verstehen, dass IC 348 bestätigte oder sehr gut gestützte substellare Mitglieder in einem extrem niedrigen Massenbereich enthält – nicht als messerscharfe Trennlinie zwischen Braunen Zwergen und Planeten.

Scheiben um Objekte planetarer Masse

Zwei neu identifizierte Mitglieder von IC 348 mit geschätzten Massen von rund zwei beziehungsweise zehn Jupitermassen zeigen einen deutlichen Infrarotüberschuss. Er wird mit zirkumstellaren Scheiben in Verbindung gebracht – also mit Material, aus dem sich möglicherweise Planeten oder Monde bilden könnten.

Das ist eine bemerkenswerte Konsequenz: Zutaten für Planetenbildung könnten auch Körper umgeben, die selbst nur knapp über dem planetaren Massenbereich liegen. Einen direkten Blick auf entstehende Planeten hat Webb dort allerdings nicht geliefert. Der Infrarotüberschuss zeigt Scheibenmaterial, nicht bereits nachgewiesene Planeten.

Jets, Schockfronten und Sterngeburt im selben Bild

Das IC-348-Mosaik ist weit mehr als eine Bestandsaufnahme Brauner Zwerge. Es zeigt auch junge Sterne, die ihre Umgebung mit Ausströmungen formen: Materiestrahlen kollidieren mit Gas und Staub. NASA hebt diese kräftigen Jets neugeborener Sterne als prägnante Strukturen hervor.

Solche Zusammenstöße erzeugen Herbig-Haro-Objekte, leuchtende Schockstrukturen in interstellarem Material. Im weiteren Bildfeld sind unter anderem HH 797 und HH 211 zu sehen. Das Mosaik vereint damit mehrere Stadien der Sterngeburt: eingebettete Protosterne, hervortretende junge Sterne, Ausströmungen, Scheiben und die schwächsten frei schwebenden substellaren Objekte.

Ein chemisches Rätsel am unteren Massenrand

In den Spektren einiger extrem massearmer Brauner Zwerge erscheint zudem eine Absorption, die mit einem bislang nicht identifizierten aliphatischen Kohlenwasserstoff verbunden wird. Eine ähnliche Absorption bei 3,4 Mikrometern wurde bereits im interstellaren Medium sowie in den Atmosphären von Saturn und Titan beobachtet. 714

Forschende haben vorgeschlagen, dass dieses ungewöhnliche Spektralverhalten eine neue Klasse für solche Quellen rechtfertigen könnte. Doch sowohl die genaue Identität des Moleküls als auch eine mögliche neue Klassifikation sind offen. Das Merkmal ist daher ein wichtiger Hinweis – keine abschließende Erklärung – für die Chemie und Atmosphären der kleinsten bekannten frei schwebenden Braunen Zwerge. 9

Was sich durch IC 348 verändert

Webb hat die beobachtete Untergrenze frei schwebender Brauner Zwerge in IC 348 von zuvor drei bis vier Jupitermassen auf etwa zwei Jupitermassen verschoben. Das Ergebnis zeigt, dass Sternentstehungsregionen Objekte in einem Massenbereich hervorbringen können, der lange vor allem mit Planeten verbunden wurde. Die Scheiben und ungewöhnlichen Spektren werfen zugleich neue Fragen zu ihrer Entstehung und Entwicklung auf.

Als Nächstes geht es nicht nur darum, noch lichtschwächere Objekte zu finden. Entscheidend ist, ob diese Körper durch direkten Kollaps einer Gaswolke, durch dynamisches Herausschleudern, durch Fragmentierung von Scheiben oder über mehrere Wege entstehen – und ob ihre Scheiben letztlich kleinere Welten um sie herum bilden können.