8000 Grad Celsius im Weltraum, ein Planet heißer als die Sonne!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Fang Hefei (Royal Observatory, Edinburgh, Großbritannien)

Hersteller: China Science Expo

Wenn wir über heiße Himmelskörper im Universum sprechen, denken wir alle an andere Sterne als die Sonne. Aber sind jene Himmelskörper, die sich nicht zu Sternen entwickeln, zwangsläufig ruhiger? Vielleicht müssen wir nachdenken, bevor wir eine Antwort geben. Die Oberfläche des kürzlich entdeckten Objekts WD 0032-317B ist auf etwa 8.000 Grad Celsius erhitzt. Mit anderen Worten: Die Oberflächentemperatur der Sonne ist nichts im Vergleich dazu.

Wie kam es zu solch hohen Temperaturen? Lassen Sie uns gemeinsam die Geheimnisse der Himmelskörper lüften.

Tod eines Sterns, Geburt eines weißen Zwergs

Im Universum handelt es sich bei Kernreaktionen hauptsächlich um Fusionen : Leichte Elemente wie Wasserstoff sind hohen Temperaturen von Hunderten Millionen Grad ausgesetzt, aggregieren zu schwereren Elementen und setzen Energie frei. Alle Sterne, einschließlich unserer Sonne, erzeugen auf diese Weise Energie. Nach dem Ende der Fusion ist das verbleibende Material nicht radioaktiv und relativ viel „sauberer“.

Die Sonne wird, wie alle anderen Sterne, durch eine Reaktion namens Kernfusion angetrieben. (Bildnachweis: NASA/SDO/AIA)

Wenn die Kernfusion auf der Erde reproduziert werden könnte, könnte sie eine praktisch unbegrenzte Versorgung mit sauberer, sicherer und billiger Energie bereitstellen und so den weltweiten Energiebedarf decken.

Bei Sternen wird dieser Vorgang als Sterntodesphase bezeichnet. Während des normalen Lebens eines Sterns konzentriert sich die Kernfusion auf die Kernregion. Nach Jahrzehnten oder sogar Milliarden von Jahren des Brennens ist der Wasserstoff im Zentrum verbraucht und nach und nach sind schwerere Elemente entstanden: Helium und sogar Kohlenstoff und Sauerstoff …

Wenn der Brennstoff verbraucht ist, erzeugt der Kern des Sterns keinen nach außen gerichteten Wärmedruck mehr und wird durch sein eigenes Gewicht allmählich zerdrückt, wobei er nach innen schrumpft, bis er eine bestimmte Größe erreicht hat. Die Abstoßungskraft der Elektronen im Inneren der Trümmer nimmt allmählich zu und gleicht die durch die Masse der Trümmer selbst verursachte Gravitationskraft genau aus. Zu diesem Zeitpunkt ist der riesige Kern des Sterns zu einer kleinen Kugel geschrumpft . Aus den Überresten von Kernreaktionen in toten Sternen entsteht ein neuer Typ von Himmelskörpern: ein Weißer Zwerg .

Weißer Zwerg (Bildquelle: Veer Library)

Weiße Zwerge haben keine geringe Masse, sind aber sehr klein. Nehmen Sie WD 0032-317 als Beispiel. Er besitzt 40 % der Masse der Sonne, sein Durchmesser beträgt jedoch weniger als 3 % des Sonnendurchmessers, was ihn zehntausendmal dichter macht als die Sonne. Auf diese Weise ist die zur Wärmeableitung verfügbare Oberfläche sehr klein und die nach dem Tod des Sterns verbleibende hohe Temperatur kann für lange Zeit aufrechterhalten werden.

Wir gehen davon aus, dass der Weiße Zwerg nur etwa 1 Million Jahre alt ist, was genau dem Alter entspricht, das die Theorie für WD 0032-317 schätzt. Obwohl diese kurze Abkühlungsperiode im Vergleich zu den Milliarden Jahren der Lebensdauer eines Sterns vernachlässigbar ist, behält er immer noch eine hohe Temperatur von 37.000 Grad Celsius, weit höher als die 5.500 Grad Celsius auf der Sonnenoberfläche, was der Temperatur eines blauen Riesen entspricht.

Die tatsächlich beobachtete Strahlungsänderungskurve von WD0032-317.

Während Weiße und Braune Zwerge um die Erde kreisen (siehe Diagramm oben), ändert sich der Strahlungsfluss der Weißen Zwerge auf der Erde periodisch (Bildquelle: Referenz [1]).

Obwohl Weiße Zwerge keine Energie durch radioaktiven Zerfall erzeugen, ist die Energie, die allein aufgrund hoher Temperaturen erzeugt wird, ebenfalls erstaunlich. Die Wärmeenergie wird hauptsächlich in Form von ultraviolettem und sichtbarem Licht abgegeben, beispielsweise in Form der krebserregenden ultravioletten Strahlen, die durch das Ozonloch der Erde dringen und ausreichen, um große biologische Moleküle aufzubrechen.

Die Planeten um WD 0032-317 ertrugen diese feurige Umarmung.

Brauner Zwerg: Der Planet mit dem größten bisher bekannten Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht

WD 0032-317B, „WD“ steht für „Weißer Zwerg“. Das Hinzufügen eines „B“ nach der numerischen Nummer steht für das zweite Objekt in diesem System – den Braunen Zwerg WD 0032-317B.

Künstlerische Darstellung eines Braunen Zwergs (Bildnachweis: NASA)

Wenn wir die Himmelskörper im Sonnensystem als Analogie verwenden, sind Braune Zwerge ein bisschen wie Jupiter . Sie sind ebenfalls Gaskondensate, aber sie sind schwerer als Jupiter, mit Massen zwischen etwa 13 und 80 Jupitern.

WD 0032-317B wiegt 79-mal so viel wie Jupiter. In schwerwiegenderen Fällen kann der durch die Eigengravitation verursachte Anstieg des Innendrucks eine Kernreaktion im Kernbereich auslösen, die zu einer Sternbildung führt.

Obwohl WD 0032-317B ein „General“ unter den Gasriesenplaneten ist, handelt es sich in der Sternfamilie tatsächlich um einen „Zwerg“ .

Darüber hinaus handelt es sich um einen Planeten mit gebundener Gezeitenenergie . Durch die Schwerkraft des Weißen Zwergs ändert sich seine Umlaufbahn, und seine Rotations- und Umlaufzeiten werden allmählich synchronisiert, genau wie beim Mond.

Daher hat WD 0032-317B nur eine Seite, die immer dem Weißen Zwerg zugewandt ist, und diese Seite wird als „Tagseite“ bezeichnet . Die vom Weißen Zwerg freigesetzte Energie strömt in diese Seite und sorgt dafür, dass sie immer taghell ist. Auf der Rückseite blockiert der Braune Zwerg das Licht des Weißen Zwergs und scheint nie direkt, daher wird diese Seite als „Nachtseite“ bezeichnet .

Astronomen haben Messungen von WD 0032-317B durchgeführt. Nach ihrer Analyse stellten sie fest, dass die Tagseite von WD 0032-317B eine Temperatur von fast 8000 Grad Celsius erreichte . Davor erscheint die Sonne trüb – die Oberflächentemperatur der Sonne beträgt 5500 Grad Celsius, also mehr als 2000 Grad Celsius weniger als sie selbst!

Temperaturschätzungsdiagramm für die Tag- und Nachtseite von WD 0032-317B.

Die violetten und grauen Kurven stellen die Energieverteilung auf der Nacht- bzw. der Tagseite dar, die himmelblaue Kurve stellt die Energieverteilung des Weißen Zwergs dar und die schwarze Kurve stellt die Gesamtenergieverteilung dar. (Bildquelle: Referenz [1])

Da der Weiße Zwerg auf der Nachtseite nicht beleuchtet wird, sinkt die Oberflächentemperatur des Braunen Zwergs plötzlich auf etwa 2000 Grad Celsius. Dies ist der Planet mit dem größten bekannten Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht, der bis zu 6000 Grad Celsius erreichen kann.

Der gasförmige Braune Zwerg umkreist im Universum einen Weißen Zwerg und seine Oberfläche wird von Hitzewellen überstrichen, die heißer sind als die Oberfläche der Sonne. Der Mensch kann auf einem solchen Planeten offensichtlich nicht überleben, geschweige denn ihm auch nur nahe kommen. Die Oberflächentemperatur eines Braunen Zwergs liegt weit über dem Siedepunkt von Stahl, und sogar Diamanten sieden auf der Tagseite.

Aufgrund dieser enormen Energie kommt es bei Braunen Zwergen wahrscheinlich zu heftigen inneren Turbulenzen und sie schleudern sogar ihre eigene Materie in den Weltraum. Obwohl dies für WD 0032-317B noch nicht bestätigt wurde, wurde das Phänomen bei einem ähnlichen Objekt, KELT-9b, beobachtet. Bei 4.300 Grad Celsius auf der Tagseite zeigt es einen kometenartigen Materialausfluss.

Schematische Darstellung der Verdampfung von Planetenmaterial durch die Energiefreisetzung eines Weißen Zwergs (Bildquelle: Offizielle Website von EarthSky)

Weiße Zwerge und Braune Zwerge: eine perfekte Kombination für die astronomische Forschung

Natürlich ist diese Beobachtungsstudie von WD 0032-317B nicht nur eine Kuriosität des Universums, sie hat auch wichtige Auswirkungen auf die Erforschung der Planetenentwicklung.

Braune Zwerge sind etwa so groß wie Jupiter und sehr heiß, sodass sie als Analogie zu Gasriesen dienen können, die ihre Sterne sehr nahe umkreisen – den „heißen Jupitern“ .

Heiße Jupiter sind derzeit ein heißes Thema im Bereich der Planetenentwicklung. Normalerweise sind sie schwer zu entdecken , da sie heiße und helle, massereiche Sterne umkreisen und von deren gleißendem Licht verdeckt werden.

Schematische Darstellung des Größenvergleichs zwischen den beiden heißen Jupitern und Jupiter und der Erde (Bildquelle: Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Bisher konnte man Heiße Jupiter nur indirekt über Gravitationseffekte nachweisen , das heißt, man konnte leichte Bewegungsanomalien der entsprechenden Sterne unter der Gravitationswirkung Heißer Jupiter feststellen. Allerdings rotieren diese Sterne selbst oft schnell und geben große Mengen an Sternwindmaterial ab, was es schwierig macht, zu messen, ob die Bewegung anormal ist.

Die Kombination Weißer Zwerg-Brauner Zwerg bietet besondere Vorteile als Ersatz für den sternheißen Jupiter .

Erstens ist der Weiße Zwerg klein , sodass der Braune Zwerg nahe genug bei ihm sein und ausreichend erhitzt werden kann.

Zweitens verfügt der Weiße Zwerg über eine kleine leuchtende Oberfläche und ist viel schwächer als der Stern eines heißen Jupiters, so dass er den ihn umgebenden Braunen Zwerg nicht verdeckt . Dadurch ist es wahrscheinlicher, den Braunen Zwerg direkt abzubilden , ohne dass eine indirekte Erkennung erforderlich ist.

Darüber hinaus liefert das System WD0032-317 und WD0032-317B selbst neue Informationen zur endgültigen Entwicklung von Sternen. Beobachtungen zufolge müssten Braune Zwerge mehrere Milliarden Jahre alt sein. Da die Masse eines Weißen Zwergs jedoch sehr gering ist, sollte sein Vorgängerstern eine längere Lebensdauer haben . Die Forscher glauben, dass der Braune Zwerg möglicherweise zuvor an der Entwicklung des Weißen Zwergs beteiligt war und so den Tod seines Vorgängersterns beschleunigte.

Abschluss

Vor zwanzig Jahren geriet auch WD 0032-317B ins Blickfeld der Astronomen, wurde jedoch ignoriert. **Damals war seine Nachtseite der Erde zugewandt und im Teleskop nicht auffällig genug. **Vielleicht lag es daran, dass die Wissenschaftler damals nicht über ausreichend fortschrittliche Beobachtungsinstrumente verfügten oder dass die Erforschung des Universums keine leichte Aufgabe war.

Zwanzig Jahre später rückte WD 0032-317B erneut in den Fokus der Öffentlichkeit. Ich bin überzeugt, dass Wissenschaftler in Zukunft mit Hilfe hochauflösender Teleskope ein dreidimensionales Atmosphärenmodell von WD 0032-317B erstellen können, um aufzudecken, wie ein so großer Temperaturunterschied zwischen der Tag- und der Nachtseite verteilt ist, und um uns so dabei zu helfen, ähnliche Gasriesenplaneten besser zu verstehen.

Weitere Geschichten über den heißen Planeten WD 0032-317B sind in Vorbereitung. Es erwarten uns weitere Entdeckungen über die Sterne im Universum.

Quellen:

[1] Na'ama Hallakoun, Dan Maoz, Alina G. Istrate et al. Ein bestrahltes Jupiter-Analogon, heißer als die Sonne.

[2] Elizabeth Gamillo. Astronomen entdecken einen Braunen Zwerg, der heißer ist als die Sonne.

[3] Atmosphärenmodelle von Braunen Zwergen, die von Weißen Zwergen bestrahlt werden: Analogien für heiße und ultraheiße Jupiter. Joshua D. Lothringer und Sarah L. Casewell. 2020 ApJ 905 163. DOI: 10.3847/1538-4357/abc5bc