Fragen Sie Ethan: Können Nonstars immer noch Stars werden?

Das der Erde am nächsten gelegene Braun-Zwerg-System, Luman 16 , enthält insgesamt genug Masse, um einen Rot-Zwerg-Stern zu bilden, wenn Sie alles zusammenfügen. Die Frage ist, ob dies jemals in unserem Universum passieren wird, ist ziemlich interessant

Am Nachthimmel sind Sterne in jeder Richtung von uns aus deutlich sichtbar, wohin wir auch schauen. Aber für jeden Stern, der genug Masse gesammelt hat, um die Kernfusion in seinem Zentrum zu starten, Wasserstoff zu verbrennen, ihn in Helium umzuwandeln und Materie durch E = mc ² in Energie umzuwandeln, gibt es viele andere Objekte, die dies nicht erreicht haben. Die meisten Massenklumpen, die sich im Nebel zu bilden beginnen, werden nie groß genug, um ein Stern zu werden. Stattdessen werden sie zu fragmentierten Gaswolken, Asteroiden, felsigen Welten, Gasriesen oder braunen Zwergen. Braune Zwerge sind die "Unstars" des Universums, die genug Masse gesammelt haben, um die Synthese seltener Isotope auszulösen, aber nicht genug, um wahre Sterne zu werden. Aber viele Braune Zwerge existieren paarweise, weshalb unser Leser die folgende Frage stellte:

Werden die Umlaufbahnen dieser Braunen Zwerge im Laufe der Zeit aufgrund des Energieverlusts bei Gravitationswellen kleiner? Werden sie am Ende verschmelzen? Wenn ja, was passiert danach? Werden sie ein echter Synthesestern? Oder etwas ganz anderes?

In der Astronomie wie im Leben bedeutet es nicht, dass Sie niemals Erfolg haben werden, nur weil Sie das erste Mal keinen Erfolg hatten. Beginnen wir mit den Sternen, die es könnten.


Illustration eines riesigen Planeten, der einen roten Zwergstern umkreist. Der Unterschied zwischen einem Planeten, einem Nichtstern und einem wahren Stern besteht nur in der Masse

Um die Kernfusion im Zentrum eines Sterns zu entzünden und Wasserstoffkerne in eine Fusionsreaktion zu bringen, müssen Temperaturen in der Größenordnung von 4.000.000 K erreicht werden. Das Gas in dem interstellaren Raum, aus dem Sterne gebildet werden, ist ziemlich kalt - nur einige zehn Grad über dem absoluten Nullpunkt. Aber dann verbindet sich die Schwerkraft und lässt die Gaswolke zusammenbrechen. Zu diesem Zeitpunkt gewinnen die Atome im Inneren an Geschwindigkeit, kollidieren miteinander und erwärmen sich. Wenn es nur wenige Atome gäbe, würden sie diese Wärme in den interstellaren Raum ausstrahlen und Lichtströme senden, um durch die gesamte Galaxie zu wandern. Wenn Sie jedoch viele Atome zusammenfügen, setzen sie dieses Licht nicht frei, wodurch sich die Innenseiten der Gaswolke zu erwärmen beginnen.


Das Sternbild Orion, zusammen mit einem riesigen Komplex aus Molekülwolken und den hellsten Sternen. Viele neue Sterne entstehen durch den Zusammenbruch des Gases, wodurch keine Wärme aus dem Ort der Sternentstehung entweichen kann

Wenn etwas Kleines, das einen Asteroiden wiegt, die Erde oder sogar den Jupiter bildet, kann es sich im Kern auf Tausende oder sogar Zehntausende Grad erwärmen - aber es ist immer noch sehr weit von der Synthesetemperatur entfernt. Wenn Sie jedoch eine bestimmte kritische Masse erreichen - etwa dreizehn Jupitermassen - erhalten Sie Temperaturen in der Größenordnung von 1.000.000 K. Dies reicht nicht für die Synthese von Helium aus Wasserstoff aus, aber es ist die kritische Temperatur für eine bestimmte Reaktion: die Synthese von Deuterium. In der Größenordnung von 0,002% Wasserstoff im Universum enthält der Kern nicht nur ein Proton, sondern ein Proton, das mit einem Neutron, dh einem Deuteron, assoziiert ist. Bei Temperaturen von einer Million Grad können Deuteron und Proton Helium-3 (ein nicht sehr verbreitetes Heliumisotop) synthetisieren, und diese Reaktion findet unter Freisetzung von Energie statt.

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Die Proton-Proton-Kettenreaktion, die für den größten Teil der Sonnenenergie verantwortlich ist, ist ein Beispiel für die Kernfusion. Bei der Synthese von Deuterium kann nur die Reaktion ² H (Deuterium) + ¹ H (Proton) -> ³ He (Helium-3) auftreten

Es ist wichtig! Diese Energieabgabe, insbesondere in der Protosternphase, erzeugt energiereiche Strahlung, die dem inneren Gravitationskollaps widersteht und verhindert, dass sich das Zentrum zu stark erwärmt, was die Temperaturen auf 4.000.000 K erhöhen könnte. Dies gibt zusätzliche Zeit - Zehntausende von Jahren oder mehr - dafür um noch mehr Masse zu sammeln. Denn sobald ein Stern mit der Synthese aus reinem Wasserstoff (Protonen) beginnt, wird die Energieabgabe so groß, dass der Stern nicht mehr wächst - daher sind die frühen Entwicklungsstadien entscheidend. Ohne die Beteiligung von Deuterium an der Synthese würden die größten Sterne die Masse der Sonne maximal dreimal und nicht hunderte Male überschreiten, wie die, die wir in der Nähe haben.


Zusammengesetztes Bild des ersten Exoplaneten von jemals direkt beobachtet (rot) und seines mütterlichen Braunen Zwergs. Ein wahrer Stern wäre physisch größer und seine Masse wäre größer als die dieses Braunen Zwergs.

Um die Kerntemperatur von 4.000.000 K zu erreichen und ein wahrer Stern zu werden, müssen Sie mindestens 7,5% der Sonnenmasse gewinnen: etwa 1,5 × 10 ²⁹ kg. Um ein Brauner Zwerg zu werden und die Synthese mit Deuterium zu starten, sind 2,5 × 10 ²⁸ kg bis 1,5 × 10 ²⁹ kg erforderlich. Und genauso oft wie Doppelsterne finden sich im Weltraum doppelte Braune Zwerge.


Die beiden Braunen Zwerge, aus denen das Luman 16-System besteht, können sich schließlich zu einem Stern zusammenschließen

Tatsächlich ist der uns am nächsten liegende Braune Zwerg, das Luman 16-System, ein duales System. Es ist auch bekannt, dass sich um andere Braune Zwerge riesige Planeten in Umlaufbahnen bewegen. Im Fall von Luman 16 wurden die folgenden Massen von zwei Braunen Zwergen bestimmt:

1. Die Haupt - von 8,0 × 10 ²⁸ bis 1,0 × 10 ²⁹ kg.
2. Sekundär - von 6,0 × 10 ²⁸ bis 1,0 × 10 ²⁹ kg.

Mit anderen Worten, es besteht eine große Chance, dass diese beiden Nichtsterne, die sich in einer Entfernung von etwa dem Dreifachen der Entfernung von der Sonne zur Erde umeinander drehen, einen echten Stern bilden. Jede Zugabe von Masse, die einen Nichtstern über die Massenlinie überträgt, die zum Verbrennen von Wasserstoff erforderlich ist, verwandelt ihn in einen Stern.


Die beiden Braunen Zwerge, aus denen Luman 16 besteht, wurden 12 Mal vom Hubble-Teleskop fotografiert, und wir haben ihre Bewegung und ihre relativen Umlaufbahnen über einen Zeitraum von mehreren Jahren bestimmt

Die Intuition versagt unserem Leser nicht: Ja, die umeinander rotierenden Massen senden Gravitationswellen aus, und diese Strahlung führt dazu, dass die Umlaufbahnen abnehmen. Aber für solche Massen und Entfernungen wird diese Abnahme ungefähr ^10.200 Jahre dauern, was viel, viel länger ist als die Lebensdauer des Universums. Dies ist sogar länger als die Lebensdauer eines Sterns oder sogar einer Galaxie oder sogar eines zentralen Schwarzen Lochs in einer Galaxie. Wenn Sie warten wollen, bis die Gravitationswellen dieses Paar brauner Zwerge in einen Stern verwandeln, müssen Sie enttäuschend lange warten.


Das Szenario, aufgrund von Gravitationswellen für zwei so gut getrennte Braune Zwerge wie diese spiralförmig aufeinander zu fallen, wird sehr lange dauern. Kollisionen sind jedoch sehr wahrscheinlich. So wie rote Sterne bei einer Kollision einzelne blaue Sterne erzeugen, können Kollisionen von Braunen Zwergen zu roten Zwergsternen führen.

In regelmäßigen Abständen kollidieren Objekte im Raum. Die Tatsache, dass sich Sterne, Nichtsterne, streunende Planeten und alles andere in der Galaxie hauptsächlich unter dem Einfluss der Schwerkraft bewegen, bedeutet, dass es eine begrenzte Wahrscheinlichkeit gibt, dass zwei Objekte versehentlich kollidieren. Dies ist viel besser als eine Abnahme der Umlaufbahn aufgrund von Gravitationswellen zu erwarten, außer in besonders extremen Fällen. Auf einer Zeitachse in der Größenordnung von 10 bis ¹⁸ Jahren, „nur“ 100 Millionen Mal mehr als das gegenwärtige Alter des Universums, kollidieren Braune Zwerge versehentlich mit anderen Braunen Zwergen oder Sternenkörper und lassen ein neues Leben für den Nichtstern entstehen. Nach unseren Schätzungen erwartet dieses Schicksal etwa 1% aller Braunen Zwerge.


Die Atmosphäre der Sonne ist nicht auf die Photosphäre oder sogar die Korona beschränkt, sondern erstreckt sich über Millionen von Kilometern im Weltraum, selbst ohne Fackeln und Emissionen

Aber selbst wenn Sie nicht warten können, bis die Gravitationsstrahlung wirkt, und Sie nicht das Glück haben, einem weiteren Braunen Zwerg im interstellaren Raum zu begegnen, haben Sie dennoch die Chance, sich zu vereinen. Normalerweise stellen wir uns vor, dass Sterne einen bestimmten Raum haben, den sie im Raum einnehmen, ein bestimmtes Volumen. Wir stellen uns zum Beispiel die Atmosphäre der Erde genauso vor: als hätte sie ein klares Ende, eine Grenze zwischen dem, was wir als Atmosphäre und Raum betrachten. Das ist dumm! Tatsächlich erstrecken sich Atome und Teilchen über Millionen von Kilometern, und Blitze von Sternen sind größer als der Radius der Erdumlaufbahn. Kürzlich wurde entdeckt, dass Braune Zwerge auch Fackeln aussenden - genau wie ein Satellit in niedriger Umlaufbahn irgendwann auf die Erde zurückfällt, so dass die Reibung, die Braune Zwerge aufeinander ausüben, sie schließlich zusammenzieht. Für Luman 16 wird dies nicht funktionieren, aber wenn der Abstand zwischen den beiden Nichtsternen mit dem Abstand von der Sonne zu Merkur und nicht mit dem Abstand von der Sonne zu Ceres vergleichbar wäre, könnte dieser Effekt funktionieren.


Luigi Bedins Langzeitstudie zur Beobachtung der 16 Nichtsterne von Luman zeigte uns, wie sich ihre Position und Bewegung im Laufe der Zeit mit einer zyklischen Abfolge aufgrund der jährlichen Bewegung der Erde ändert

Was passiert also nach einer Fusion oder Kollision? Solche Ereignisse sind selten und dauern länger als das aktuelle Zeitalter des Universums. Zu diesem Zeitpunkt hätte sogar ein Brauner Zwerg sein gesamtes Deuterium verbraucht, und seine Leiche hätte sich an der Oberfläche auf eine Temperatur von nur wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. Die Energie der Kollision oder Fusion sollte jedoch ausreichen, um einen solchen Druck und eine solche Wärme im Kern zu erzeugen, dass sie - wenn die kritische Massenlinie überschritten wird - immer noch mit der Kernfusion beginnen können. Der Stern wird eine kleine Masse haben, eine rote Farbe und eine sehr lange Zeit leben, mehr als 10 Billionen Jahre. Wenn der Nicht-Stern endlich aufleuchtet, wird er wahrscheinlich der einzige Stern sein, der während seines Lebens in der Galaxie leuchtet. Solche Ereignisse werden selten und zeitlich weit voneinander entfernt sein. Der Typ dieses Sterns wird sich jedoch als an sich interessant erweisen.


Wenn zwei braune Zwerge dennoch in ferner Zukunft verschmelzen, werden sie wahrscheinlich das einzige Licht am Nachthimmel, da alle anderen Sterne bereits ausgebrannt sind. Der resultierende rote Zwerg wird zur Hauptlichtquelle, die zu dieser Zeit im Universum verbleibt.

Es verbrennt seinen Brennstoff so langsam, dass Helium-4, das gleichzeitig erhalten wird - das Ergebnis einer Synthesereaktion mit Wasserstoff im Kern - den Kern infolge der Konvektion verlässt, wodurch zusätzlicher Wasserstoff an der Synthese teilnehmen kann. Die Konvektion ist so effektiv, dass 100% des Wasserstoffs im Stern bis zum Ende verbrennen können, was zu einer kontinuierlichen Masse von Heliumatomen führt. Für die Verbrennung dieses Heliums wird die Masse nicht ausreichen, daher schrumpfen die Sternreste auf eine Art Stern, der sich noch nicht in unserem Universum befindet: einen weißen Heliumzwerg. Es wird ungefähr eine Billiarde Jahre dauern, bis dieser weiße Zwerg abkühlt und nicht mehr leuchtet, und zu diesem Zeitpunkt werden andere braune Zwerge der Galaxie kollidieren und aufleuchten. Wenn der Nicht-Stern endlich Erfolg hat und seinen gesamten Lebenszyklus durchläuft und ein schwarzer Zwerg wird, wird ein weiterer Nicht-Stern auf seine Gelegenheit warten.


Vergleich der Farben und Größen des weißen Zwergs (links), der Erde, die das Sonnenlicht reflektiert (in der Mitte) und des schwarzen Zwergs (rechts). Wenn die weißen Zwerge endlich die Überreste ihrer Energie abgeben, werden sie schließlich alle zu schwarzen Zwergen

Wenn Sie unsterblich werden könnten, könnten Sie im Prinzip von einem Unstell zum anderen reisen und Energie aus den letzten seltenen Erfolgen des Universums erhalten. Die meisten Nichtsterne werden für immer in diesem Zustand bleiben, aber einige, mit denen das Glück lächelt, werden viel später brennen, als alle anderen Lichtquellen ausgehen. In Winston Churchills berühmtem Satz heißt es: "Erfolg ist nicht endgültig, Misserfolg ist nicht tödlich, nur der Mut, weiterzumachen." Vielleicht gilt das sogar für Sterne und noch mehr als für dich und mich.

Ethan Siegel - Astrophysiker, Wissenschafts-Popularisierer, Autor von Starts With A Bang! Er schrieb die Bücher „Beyond the Galaxy“ ( Jenseits der Galaxie ) und „Tracknology: the science of Star Trek“ ( Treknology ).

FAQ: Wenn sich das Universum ausdehnt, warum erweitern wir uns dann nicht? warum das Alter des Universums nicht mit dem Radius seines beobachteten Teils übereinstimmt .