Backyard Worlds: Cool Neighbors

Unser Ziel

Wir hoffen mit diesem Projekt Braune Zwerge in der unmittelbaren kosmischen Nachbarschaft der Sonne zu identifizieren. Durch die Untersuchung dieser Objekte erfahren wir mehr über die Atmosphären riesiger Exoplaneten, den Prozess der Sternentstehung, die in der Galaxie vorherrschende Zusammensetzung und die Art und Weise, wie die Zusammensetzung des proto-stellaren Materials die Entwicklung von Sternen in unserer Galaxie beeinflusst.

Gemeinsam können wir neue, kühle Nachbarn der Sonne entdecken, die als Braune Zwerge bekannt sind. Mithilfe von Teleskopdaten und der Fähigkeit des menschlichen Gehirns, Muster relativ leicht zu erkennen, können wir echte Braune Zwerge identifizieren, die sich zwischen anderen Sternen, Galaxien und dem Detektorrauschen verstecken.

Braune Zwerge sind Himmelsobjekte mit einer Masse, die zwischen der von Sternen und Riesenplaneten wie Jupiter liegt. Unten siehst du eine künstlerische Darstellung eines Braunen Zwerges. Man kann sie sich als überdimensionale Versionen des Jupiter vorstellen, die aber nicht um einen Stern kreisen, sondern ganz allein im interstellaren Raum herumschweben.

(Quelle: NASA/JPL-Caltech)

Leider stellt die Suche nach Y-Zwergen - der kältesten bekannten Klasse der Braunen Zwerge - einen großen Engpass für diese Forschungsrichtung dar. Diese Objekte sind unglaublich lichtschwach, so dass wir nach Objekten in der Nähe unseres Sonnensystems suchen müssen, wo sie am hellsten erscheinen.

Mithilfe von Maschinenlern-Algorithmen haben wir eine Reihe von Koordinaten in der WISE-Datenbank identifiziert, die eine gewisse Bewegung zu zeigen scheinen. Diese Algorithmen können jedoch durch Artefakte wie Detektorrauschen und Beugungsspitzen überlistet werden. Der effizienteste Weg, diese potenziellen Kandidaten für einen Braunen Zwerg zu überprüfen, ist die Zusammenarbeit mit Bürgerforschern („citizen scientists“), um große Datenmengen in kurzer Zeit zu analysieren.

Wieso sollten uns braune Zwerge interessieren?

Braune Zwerge sind Himmelsobjekte, die größenmäßig zwischen Planeten und Sternen liegen und oft als „gescheiterte Sterne“ bezeichnet werden. Diese Objekte haben eine Masse zwischen der des Jupiters und der der massearmen, wasserstofffusionierenden Sterne, was dazu führt, dass sie Eigenschaften sowohl von Sternen als auch Exoplaneten aufweisen!

Sterne sind Himmelskörper mit einer ausreichenden Masse, so dass der Gravitationsdruck in ihrem Inneren stark genug ist, um die Wasserstofffusion zu ermöglichen - die Reaktion, die Sterne wie unsere Sonne zum Leuchten bringt, oder technisch ausgedrückt, sichtbares Licht aussendet. Durch ihr Licht sind Sterne im Weltraum relativ leicht zu finden. Planeten hingegen haben nicht genug Masse, um irgendeine Art von Fusion aufrechtzuerhalten, und strahlen kein eigenes sichtbares Licht aus, so dass sie sehr schwer zu entdecken sind. Braune Zwerge bewegen sich auf dieser Grenze zwischen Planet und Stern. Sie haben zu wenig Masse, um die Wasserstofffusion aufrechtzuerhalten, aber immer noch genug Masse, um bei ihrer Entstehung schwach zu leuchten (was sie für das menschliche Auge unsichtbar macht). Sie strahlen jedoch Licht im Infrarot aus, das wir mit speziellen Teleskopen aufspüren können!

Die Atmosphären von Braunen Zwergen sind denen von riesigen Exoplaneten sehr ähnlich, können aber im Detail beobachtet werden, ohne dass das grelle Licht eines viel helleren Wirtssterns stört. Die Atmosphären dieser Braunen Zwerge weisen starke Anzeichen von Wasser und Methan auf, die wichtige Moleküle für die Entwicklung der organischen Verbindungen sind, die wir auf der Erde finden. Bei einigen Braunen Zwergen könnte es sich sogar um ehemalige Planeten handeln, die aus ihrem ursprünglichen Sternsystem herausgeschleudert wurden! Die Erforschung dieser Objekte kann wertvolle Erkenntnisse über die Entstehung anderer Sternsysteme und die Häufigkeit verschiedener Verbindungen im gesamten Universum liefern.

Da braune Zwerge so lichtschwach sind, ist es möglich, dass es einen bisher unentdeckten Braunen Zwerg gibt, der näher bei uns liegt als Proxima Centauri! (Proxima Centauri ist der nächstgelegene bekannte Stern zu unserer Sonne). Dies wäre eine historische Entdeckung, und du könntest der erste sein, der ihn entdeckt!

Im Rahmen des Projekts „Backyard Worlds: Cool Neighbors“ suchen wir in Infrarotbildern, aufgenommen vom NASA-Teleskop Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE), nach Braunen Zwergen. Der WISE-Satellit und das WISE-Teleskop wurden 2009 gestartet und helfen uns, mehr über die Entstehung von Exoplaneten, Sternen und Galaxien in unserem Universum zu erfahren.

(Quelle: NASA/JPL-Caltech)

Sieh dir hier den Start des WISE-Teleskops an!

Die Entdeckung neuer Nachbarn der Sonne

Braune Zwerge sind selten!

Im Vergleich zu normalen ("Hauptreihen"-) Sternen und Galaxien und sogar Bildartefakten sind Braune Zwerge sehr selten. WISE hat zum Beispiel Milliarden von Galaxien und normalen Sternen entdeckt, aber wahrscheinlich nur ein paar tausend Braune Zwerge. Um einen neuen Braunen Zwerg zu entdecken, musst du schätzungsweise 100-500 Daumenkinos durchsehen. Etwa 10 % unserer Daumenkinos („flipbooks“) enthalten bereits entdeckte, sich bewegende Objekte, damit du ein Gefühl dafür bekommst, wie ein echter „Mover“ aussieht, und um unserem Forschungsteam zu helfen, die Qualität der Klassifizierungen einschätzen zu können, die uns erreichen.

Eigenbewegung der Himmelskörper

Braune Zwerge sind kalt und lichtschwach, so dass sie nur in unserer Nähe entdeckt werden können. Alle Himmelskörper der Milchstraßengalaxie bewegen sich relativ zur Sonne. Allerdings nehmen wir Objekte, die sich in unserer Nähe befinden, als viel schneller wahr als Objekte, die weiter entfernt sind. Ein Beispiel für diesen Effekt kannst du gleich ausprobieren. Nimm einen Finger und halte ihn etwa 10 cm vor deine Augen. Schließe ein Auge und bewege deinen Finger etwa 15 cm von links nach rechts. Nimm nun deinen Finger und bewege ihn so weit von deinem Auge weg, wie du kannst. Bewege ihn noch einmal die gleichen 15 cm von links nach rechts.

Du wirst bemerken, dass dein Finger, wenn er näher ist, scheinbar einen längeren Weg zurücklegt, als wenn er weiter weg ist. Im Grunde genommen ist es bei den Braunen Zwergen das Gleiche, aber im Maßstab von Lichtjahren statt Zentimetern!

Barnards Pfeilstern ist ein roter Zwergstern, der der Erde mit einer Entfernung von etwa 6 Lichtjahren relativ nahe ist. Als solcher zeigt er eine relativ hohe Eigenbewegung. Hier sieht man, wie Barnards Pfeilstern in den Teleskopdaten aussieht:

Beachte, dass die obige Animation in einer Schleife abläuft. Barnards Pfeilstern springt keineswegs „zurück“, sondern bewegt sich im Wesentlichen auf einer geraden Linie.

Für einen Stern, der sich mit einer Geschwindigkeit v senkrecht zu unserer Sichtlinie und in einem Abstand d von der Erde bewegt, ist die Winkelgeschwindigkeit proportional zu

In diesem Fall wäre v die Einheit für die Entfernung pro Zeit (z. B. m/s oder km/s), d die Entfernung zwischen uns und dem Stern (in Einheiten wie Lichtjahren) und μ die Rate der scheinbaren Bewegung über den Himmel, die Astronomen als Eigenbewegung bezeichnen. Die Eigenbewegung wird in Einheiten der Winkelverschiebung pro Zeiteinheit angegeben. Es hat sich herausgestellt dass die geeignete Einheit für die Eigenbewegung bei nahen Sternen Bogensekunden pro Jahr ist, wobei eine Bogensekunde 1/3600stel eines Grades entspricht. Barnards Pfeilstern hat mit etwa 10,4 Bogensekunden pro Jahr die höchste Eigenbewegung aller derzeit bekannten Sterne oder Braunen Zwerge. Es ist möglich, dass wir durch Suchaktionen wie Backyard Worlds: Cool Neighbors einen schnellen Braunen Zwerg entdecken, der diesen Rekord für die Eigenbewegung bricht!

Parallaxe

Die scheinbare Bewegung naher Sterne wird in der Regel von der Eigenbewegung dominiert, aber es gibt auch eine andere Komponente ihrer Flugbahnen über den Himmel, die „Parallaxe“ genannt wird. Die Parallaxe misst das jährlich wahrgenommene "Taumeln" des nahen Sterns oder Braunen Zwergs, das durch die Bewegung der Erde um die Sonne verursacht wird.

In Katalogen (wie Gaia) wird die Parallaxe oft in Millibogensekunden angegeben. Die Umrechnung von der Parallaxe in Millibogensekunden zur Entfernung vom Sonnensystem in Parsecs ist wie folgt:

Entfernung in Parsecs = 1000 / (Parallaxe in Millibogensekunden)

Eine große Parallaxe bedeutet, dass ein Objekt nahe ist, und eine kleine Parallaxe bedeutet, dass ein Objekt weit entfernt ist. Ein Gaia-Parallaxenwert von 50 Millibogensekunden entspricht einer Entfernung von 20 Parsec (~65 Lichtjahre) vom Sonnensystem, was nach astronomischen Maßstäben sehr nahe wäre. Eine Gaia-Parallaxe von 5 Millibogensekunden (manchmal als „mas“ abgekürzt) entspricht einer Entfernung von 200 Parsec. Im Allgemeinen sind wir bei Cool Neighbors am meisten an Zwergen interessiert, die sich innerhalb einer Entfernung von ~100 Parsec des Sonnensystems befinden. Weitere Hintergrundinformationen zur Parallaxe findest du in der Wikipedia.

Temperatur und Farbe

Wenn du dir den Nachthimmel ansiehst, ist dir wahrscheinlich aufgefallen, dass es Sterne in den verschiedensten Farben gibt. Die Farbe eines Sterns ist ein Hinweis auf seine Temperatur. Ein blau/weiß leuchtender Stern ist relativ heiß, während ein kühler Stern (z. B. ein Roter Zwerg wie Barnards Pfeilstern) eher rot/orange leuchtet. Das Licht, das ein Objekt aufgrund seiner Temperatur aussendet, wird als Schwarzkörperstrahlung bezeichnet.
Dieses Phänomen ist jedoch nicht nur auf Sterne beschränkt. Deine typische Glühbirne funktioniert auf genau dieselbe Art und Weise - Elektrizität führt dazu, dass sich der Glühfaden im Inneren der Birne auf etwa 2300 Grad Kelvin erhitzt und Schwarzkörperstrahlung im sichtbaren Spektrum aussendet (zum Vergleich: die Sonne hat eine Oberflächentemperatur von 5800 Grad Kelvin). Objekte müssen aber nicht Tausende von Grad heiß sein, um Licht zu emittieren - auch der menschliche Körper ist warm genug, um Licht zu emittieren! Das Licht, das du (und andere kühlere Objekte wie braune Zwerge) aussendest, liegt jedoch im infraroten Wellenlängenbereich und damit außerhalb des für Menschen sichtbaren Spektrums.

Glücklicherweise sind moderne, großräumige Durchmusterungen wie WISE (und dessen Verlängerung NEOWISE) empfindlich genug, um Braune Zwerge im Wellenlängenbereich von 3 bis 5 Mikrometern aufzuspüren, in dem sie ihr Licht am stärksten aussenden. Bei den Daten, die du in Cool Neighbors analysieren wirst, handelt es sich also nicht um Bilder sichtbaren Lichts, wie du sie mit einer normalen Kamera aufnehmen könntest, sondern sie fangen Licht ein, das für menschliche Beobachter unsichtbar wäre. Die Bilder werden dann per Datenverarbeitung in sichtbares Licht umgewandelt, wo sie ohne Probleme analysiert werden können.

Weitere Informationen

Weitere Informationen zur Wissenschaft der Braunen Zwerge und wie wir sie aufspüren, findest du im Abschnitt FAQ.

Wir hoffen, du machst eine große Entdeckung!

Danksagungen

Dank an die NASA, die diese Arbeit durch das Citizen Science Seed Funding Program, Grant 80NSSC21K1485, finanziert hat.

Die Arbeit der Angestellten von Cool Neighbors wurde von NOIRLab unterstützt, das von der Association of Universities for Research in Astronomy (AURA) im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung mit der National Science Foundation betrieben wird.

Backyard Worlds: Cool Neighbors verwendet das WiseView Bildausschnitt-Tool.