Hoe weten we of we te maken hebben met een bruine dwerg, of gewoon een ster met een zeer lage massa? Astronomen zochten het uit.

Bruine dwergen zijn opmerkelijke hemellichamen. Ze hebben namelijk een massa precies tussen die van planeten en sterren in. De vraag is dan ook hoe we weten wanneer we te maken hebben met een bruine dwerg, of een ster met een zeer lage massa. In een nieuwe studie gingen astronomen op zoek naar antwoorden.

Sterren
Sterren bestaan net als planeet Jupiter en andere gigantische gasreuzen voornamelijk uit waterstof en helium. Maar in tegenstelling tot gasplaneten zijn sterren zo massief en hun zwaartekracht zo krachtig, dat waterstofatomen samensmelten en helium produceren, waarbij enorme hoeveelheden energie en licht vrijkomen.

Mislukte sterren
Een bruine dwerg is echter anders. Deze hemellichamen hebben zoals gezegd een massa die kleiner is dan die van een ster, maar veel groter is dan die van een gasreus. Omdat bruine dwergen op dezelfde manier ontstaan als een ster, maar te klein zijn om tot kernfusie te komen, worden bruine dwergen ook wel ‘mislukte sterren’ genoemd. Het betekent dat ze te weinig massa hebben om te ‘ontsteken’ en te gaan schijnen als andere sterren. In plaats daarvan fuseren ze relatief kleine voorraden van een zwaardere atomaire versie van waterstof: deuterium. Dit proces is minder efficiënt en het licht van bruine dwergen is daarom veel zwakker dan dat van sterren.

Massa
Een vraag waar astronomen al enige tijd het hoofd over breken, is waar precies de grens van hun massa ligt. Hoe weten we of we te maken hebben met een bruine dwerg, of gewoon een ster met een zeer lage massa? Dit blijft een punt van discussie, vooral omdat de samenstelling van bruine dwergen erg lijkt op die van sterren met een lage massa. “We weten nog steeds niet precies waar de massalimiet van bruine dwergen ligt,” zegt onderzoeker Nolan Grieves. “Dit is de grens waardoor we ze kunnen onderscheiden van sterren met een lage massa, die gedurende vele miljarden jaren waterstof verbranden. Een bruine dwerg heeft juist een kort brandstadium en is een stuk kouder.”

Zeldzaam
Het is echter niet zo gemakkelijk om te bepalen waar de grens precies ligt. “Die varieert afhankelijk van bijvoorbeeld de chemische samenstelling van de bruine dwerg, de manier waarop deze is gevormd en de initiële straal,” legt Grieves uit. Om een beter idee te krijgen van wat deze mysterieuze objecten zijn, moeten we voorbeelden in detail bestuderen. Maar bruine dwergen blijken bijzonder zeldzaam. “Tot nu toe hebben we slechts dertig bruine dwergen nauwkeurig gekarakteriseerd,” aldus Grieves. Vergeleken met de honderden planeten die astronomen tot in detail kennen, is dit heel weinig. Zeker als je bedenkt dat bruine dwergen door hun grotere formaat gemakkelijker te detecteren zijn dan planeten.

Vijf hemellichamen
In een verwoede poging de mysterieuze aard van bruine dwergen te begrijpen, besloten onderzoekers vijf interessante hemellichamen (te weten TOI-148, TOI-587, TOI-681, TOI-746 en TOI-1213) te bestuderen. Deze objecten hebben allemaal een massa die nabij de grens tussen sterren en bruine dwergen ligt. Daarom zouden deze hemellichamen kunnen helpen om het mysterie van bruine dwergen te ontrafelen. De hemellichamen worden ‘metgezellen’ genoemd omdat ze om een moederster draaien. Ze doen daar tussen de 5 tot 27 dagen over, hebben een straal tussen 0,81 en 1,66 keer die van Jupiter en zijn tussen 77 en 98 keer massiever. Dit plaatst ze precies op de grens tussen bruine dwergen en sterren in.


Op deze afbeelding zijn de vijf hemellichamen te zien, ontdekt met behulp van planetenjager TESS. De objecten bevinden zich allemaal in korte omloopbanen van 5-27 dagen (minstens 3 keer dichterbij dan Mercurius bij de zon is) rond hun veel grotere moedersterren. Afbeelding: 2021 Creatives Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International (CC BY-NC-SA 4.0) – Thibaut Roger – UNIGE

Volgens de onderzoekers kunnen deze interessante hemellichamen waardevolle informatie bevatten. “Elke nieuwe ontdekking onthult aanvullende aanwijzingen over de aard van bruine dwergen en geeft ons een beter begrip van hoe ze ontstaan ​​en waarom ze zo zeldzaam zijn,” aldus onderzoeker Monika Lendl.

Aanwijzing
Na een grondig onderzoek vermoeden de astronomen dat de bestudeerde hemellichamen waarschijnlijk bruine dwergen zijn. Eén van de aanwijzingen die de onderzoekers daarvoor hebben gevonden, is de relatie tussen de grootte en leeftijd. “Bruine dwergen worden in de loop van de tijd kleiner naarmate ze door hun deuterium-reserves raken en afkoelen,” legt onderzoeker François Bouchy uit. “Nu hebben we ontdekt dat de twee oudste objecten, TOI 148 en 746, een kleinere straal hebben, terwijl de twee jongere metgezellen een grotere straal hebben.”

Toch komen deze hemellichamen zo dicht bij de grens, dat het net zo goed sterren met een zeer lage massa kunnen zijn. Het betekent dat de astronomen alsnog de deur op een kiertje laten staan. “Zelfs nadat we deze objecten hebben bestudeerd, kunnen we alsnog geen definitieve conclusies trekken over de verschillen tussen bruine dwergen en lichte sterren,” zegt Grieves. “Verdere studies zijn nodig om meer te weten te komen.”