Braune Zwerge sind seltsame Himmelskörper, die eine Art Zwischenstellung zwischen Sternen und Planeten einnehmen. Astrophysiker nennen sie manchmal „ausgefallene Sterne“, weil sie nicht genügend Masse haben, um Wasserstoff in ihren Kernen zu verbrennen und wie Sterne zu leuchten. Es wird immer wieder diskutiert, ob die Entstehung von Braunen Zwergen einfach eine verkleinerte Version der Entstehung von sonnenähnlichen Sternen ist. Astrophysiker konzentrieren sich auf die jüngsten Braunen Zwerge, auch Proto-Braune Zwerge genannt. Sie sind nur wenige tausend Jahre alt und befinden sich noch in den frühen Entstehungsstadien. Sie wollen wissen, ob das Gas und der Staub in diesen Proto-Braunen Zwergen der Zusammensetzung der jüngsten sonnenähnlichen Protosterne ähneln.
Im Mittelpunkt des Interesses steht Methan, ein einfaches und sehr stabiles Gasmolekül, das, einmal gebildet, nur durch hochenergetische physikalische Prozesse zerstört werden kann. Es wurde auf mehreren extrasolaren Planeten gefunden. In der Vergangenheit hat Methan eine grundlegende Rolle gespielt, um die Eigenschaften der ältesten Braunen Zwerge in unserer Galaxie zu identifizieren und zu untersuchen, die mehrere hundert Millionen bis Milliarden Jahre alt sind.
Nun hat ein Team um die LMU-Astrophysikerin Basmah Riaz erstmals deuteriertes Methan (CH3D) in drei Proto-Braunen Zwergen zweifelsfrei nachgewiesen. Es ist der erste eindeutige Nachweis von CH3D außerhalb des Sonnensystems. Dies ist ein unerwartetes Ergebnis.
Protobraune Zwerge sind sehr kalte und dichte Objekte. Dies macht es schwierig, sie auf Methansignaturen im nahen Infrarot zu untersuchen. Im Millimeterwellenbereich hingegen sind sie gut zu beobachten. Im Gegensatz zu Methan, das aufgrund seiner Symmetrie keine spektrale Signatur im Radiobereich hat, kann deuteriertes Methan (CH3D) bei Millimeterwellenlängen beobachtet werden.
Der erste Nachweis von CH3D war umso erstaunlicher, als Proto-Braune Zwerge gemäß den Theorien zur Bildung Brauner Zwerge kühler (ca. 10 Kelvin oder weniger) und dichter als Protosterne sind. CH3D entsteht nach chemischer Theorie bevorzugt bei warmen Gasen, also bei Temperaturen um 20 bis 30 Kelvin. „Die Messungen implizieren, dass zumindest ein erheblicher Teil des Gases in einem Proto-Braunen Zwerg wärmer als 10 Kelvin ist, sonst dürfte CH3D gar nicht da sein“, sagt Basmah Riaz. Die CH3D-Häufigkeitsmessung liefert den Wissenschaftlern eine Schätzung der Methanhäufigkeit.
Es ist auch unerwartet, dass, obwohl bisher nur ein sonnenähnlicher Protostern bekannt ist, in dem CH3D vorläufig nachgewiesen wurde, das LMU-Team CH3D in 3 Proto-Braunen Zwergen sicher nachgewiesen hat. Das bedeutet, dass Proto-Braune Zwerge eine reiche warme organische Chemie aufweisen und diese kühlen kompakten astrophysikalischen Objekte möglicherweise nicht einfach eine verkleinerte Nachbildung von Protosternen sind.
„Das Methan in den Proto-Braunen Zwergen kann überleben oder nicht so häufig in den ältesten Braunen Zwergen vorkommen“, sagt Co-Autor Wing-Fai Thi vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. Da eine warme Umgebung für die Bildung komplexerer Moleküle günstig ist, sind Proto-Braune Zwerge interessante Objekte, um in Zukunft nach diesen Molekülen zu suchen.
B. Riaz et al., Erster CH3D-Nachweis in protobraunen Zwergen der Klasse 0/I: Einschränkungen der CH4-Abundanzen, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society: Briefe (2022). DOI: 10.1093/mnrasl/slac007