Seit Jahrzehnten zerbrechen sich Astronomen darüber den Kopf, wie sich in einem fernen Sternsystem Gasplaneten von Braunen Zwergen unterscheiden lassen – jenen Objekten, die zu massearm für die Wasserstofffusion sind, aber in Hinblick auf Größe und Zusammensetzung planetaren Gasriesen ähneln. Ein Team um den Astronomen Chih-Chun Hsu von der Northwestern University hat nun ein Merkmal identifiziert, mit dem sich beide Gruppen effektiv voneinander trennen lassen: die Rotationsgeschwindigkeit. Demnach drehen sich Gasriesen im Verhältnis zu ihrer Masse schneller um ihre eigene Achse als Braune Zwerge. Die Ergebnisse der Gruppe sind in der Fachzeitschrift »The Astronomical Journal« veröffentlicht.

Der Übergang von riesigen Gasplaneten, ähnlich Jupiter, zu Braunen Zwergen ist fließend; beide bestehen überwiegend aus denselben Gasen, Wasserstoff und Helium. Ab etwa 13 Jupitermassen nehmen im Kern eines Gasriesen geringfügige Fusionsprozesse mit Deuterium (schwerem Wasserstoff) Fahrt auf – die übliche Definition für Braune Zwerge. Doch das daraus resultierende, schwache Glimmen im Infrarot lässt sich kaum von jenem unterscheiden, das Gasplaneten aufgrund ihrer langsamen Kontraktion abgeben. Erschwerend kommt hinzu, dass Braune Zwerge ähnlich groß sind. Denn ab etwa einer Jupitermasse führt mehr Masse nicht etwa zu einem größeren Radius, sondern zu einer höheren Dichte.

Verräterische Linien

Auf der Suche nach einem Unterscheidungskriterium analysierte das Team die Rotationsgeschwindigkeiten bei sechs Gasriesen zwischen zwei und sieben Jupitermassen sowie 25 Braunen Zwergen mit bis zu 88 Jupitermassen. Dabei nutzte es das KPIC-Instrument (Keck Planet Imager and Characterizer) am W. M. Keck Observatory auf Hawaii und ergänzten die Messungen mit Katalogdaten. Insgesamt umfasst der Datensatz 43 Gasplaneten und Braune Zwerge in Sternsystemen sowie 54 isolierte Objekte beider Klassen. Letztere dienen als Vergleichsgruppe, um den Einfluss eines Muttersterns zu untersuchen.

Die Rotation wird dabei über die Verbreiterung von Spektrallinien gemessen: Durch die Drehung bewegen sich Teile des Himmelskörpers relativ zum Beobachter unterschiedlich. Emissionen aus Regionen, die sich auf ihn zubewegen, verschieben sich wegen des Dopplereffekts in Richtung des energiereicheren, blauen Spektralbereichs; Materie auf der gegenüberliegenden Seite rotiert von uns weg, sodass deren Emission ins Rote verschoben wird. Dadurch erscheinen die Spektrallinien der betrachteten Moleküle insgesamt verbreitert.

Für seine Beobachtungen konzentrierte sich das Team auf Spektrallinien von Kohlenmonoxid (CO) und Wasser (H₂O). Beide sind sowohl bei Braunen Zwergen als auch bei Gasriesen die dominanten Moleküle in deren oberen Atmosphärenschichten und liefern im Infrarotbereich klare und gut messbare Signale. Um beide Objektklassen gemäß ihres Entwicklungsstands vergleichen zu können, normierte das Team seine Messungen mithilfe von Simulationen auf zehn Millionen Jahre, denn Himmelskörper kühlen sich im Lauf ihrer Entwicklung ab, ziehen sich zusammen und verändern dadurch ihre Rotationsrate. Zehn Millionen Jahre sind das typische Alter, in dem sich die Materiescheiben um die jungen Objekte aufgelöst haben und die Phase der »ungebremsten« Kontraktion beginnt, ohne dass dabei weiterer Drehimpuls verloren geht.

Planeten drehen auf

Die Ergebnisse zeigen ein klares Muster: Gasplaneten erreichen demnach einen wesentlich höheren Anteil ihrer theoretischen Aufbruchgeschwindigkeit (englisch: breakup velocity), jenseits derer sie durch die Zentrifugalkraft auseinandergerissen werden. Im Durchschnitt rotieren sie mit circa 27 Prozent dieses Maximalwerts, während Braune Zwerge bis zu 40 Jupitermassen nur rund neun Prozent erreichen. Bei noch massereicheren Objekten sinkt dieser Wert sogar auf etwa vier Prozent. Dabei nimmt das Team an, dass die Rotationsachse senkrecht zur Umlaufbahn steht und nicht zufällig orientiert ist – dies gilt insbesondere für Gasplaneten als physikalisch realistisch, da sie in einer Scheibe entstehen, während Braune Zwerge sich auch durch den Gravitationskollaps von Gaswolken bilden und damit häufiger zufällig ausgerichtet sein können.

Weil die Aufbruchgeschwindigkeit stark von der Masse abhängt, besitzt ein Brauner Zwerg prinzipiell ein deutlich höheres »Tempolimit« als ein leichterer Gasplanet. Er kann daher zwar absolut schneller rotieren, bleibt dabei jedoch stets weiter unter seinem theoretischen Limit als die masseärmeren Gasplaneten, so das Team.

Besonders deutlich wird die Trennung, wenn man neben der absoluten Masse das Massenverhältnis zum Wirtsstern betrachtet. Das Team stellte fest, dass die Verteilung der Geschwindigkeitsverhältnisse in seinen Simulationen eine klare und scharfe Zweiteilung ergibt, wenn man einen Gasplaneten als ein Objekt definiert, dessen Masse weniger als 0,8 Prozent seines Heimatsterns beträgt. Sie rotieren im Verhältnis relativ schnell, während die untersuchten Himmelskörper oberhalb des Grenzwerts deutlich langsamere Rotationsverhältnisse zeigen (siehe »Grund zur Trennung«).

Im Sternsystem HR 8799 beispielsweise dreht sich der Planet HR 8799 b, der circa die sechsfache Jupitermasse aufweist, mit einer Geschwindigkeit von mehr als 30 Kilometern pro Sekunde um sich selbst. Er erreicht etwa 35 Prozent seiner Aufbruchgeschwindigkeit. Der Braune Zwerg YSES 1 b, ebenfalls ein Begleiter in einem Sternsystem und mehr als dreimal so massereich, rotiert mit rund fünf Kilometern pro Sekunde bei gerade einmal fünf Prozent der maximal möglichen Geschwindigkeit. Auch ein Blick in unser eigenes Sonnensystem bestätigt das Muster: Jupiter und Saturn benötigen beide nur um die zehn Stunden für eine Umdrehung, bei etwa 30 bis 40 Prozent der Aufbruchgeschwindigkeit; beide besitzen weniger als 0,1 Prozent der Masse der Sonne.

Diese Betrachtungsweise erlaubt auch eine neue Einordnung bislang umstrittener Objekte: Kappa Andromedae b und Beta Pictoris b besitzen zwar hohe Massen – und wurden deshalb bereits zu den Braunen Zwergen gezählt –, weisen jedoch ein Massenverhältnis von unter 0,8 Prozent auf und rotieren sehr schnell; sie sind damit eher den Gasplaneten zuzuordnen.

Magnetische Bremse

Der Grund für diese Differenz zwischen den Objekttypen liegt in der Frühphase ihrer Entstehung. Sowohl Planeten als auch Braune Zwerge verlieren Drehimpuls durch die Wechselwirkung mit der sie umgebenden Materiescheibe. Braune Zwerge besitzen stärkere Magnetfelder, die wie eine Bremse wirken und den Drehimpuls effizienter aus dem System abführen. Solche, die Sterne umkreisen, drehen sich dabei langsamer als isolierte Braune Zwerge. Das liegt an den unterschiedlichen Scheibentypen, innerhalb derer sie entstehen, die Unterschiede im Hinblick auf Temperatur und den Ionisationsgrad aufweisen. Diese Faktoren wiederum bestimmen, wie stark das Magnetfeld des Objekts an das Material der Scheibe koppeln kann.

Noch ist die Stichprobe der Untersuchung recht klein und die statistische Signifikanz in Teilen nicht ausreichend. Um die Befunde zu festigen, plant das Team daher weitere Untersuchungen mit größeren Teleskopen und möchte seine Suche auf weitere isolierte »Objekte planetarer Massen« ausweiten, denn diese sind über das Rotationsverhältnis noch nicht klar abzutrennen.