Broedplaats van bruine dwergen

Britse en Spaanse astronomen hebben in het centrum van de Orionnevel ruim tweehonderd gasbollen ontdekt die te licht zijn om zich ooit tot volwaardige sterren te kunnen ontwikkelen. Een deel van deze zogeheten bruine dwergen heeft zelfs een massa die nog maar weinig groter is dan die van de grootste planeet in ons zonnestelsel. Het is niet ondenkbaar dat in het melkwegstelsel vele miljoenen van zulke ongebonden planeten rondzwerven. Gezien hun ontstaanswijze betekent dit dat het ooit zo scherpe verschil tussen sterren en planeten vervaagt.

Algemeen wordt aangenomen dat sterren ontstaan door de samentrekking van delen van interstellaire wolken waterstofgas. Tijdens het samentrekken van de fragmenten lopen druk en temperatuur zo hoog op dat op een bepaald moment in hun centrum kernfusie kan optreden, waarbij waterstof wordt omgezet in helium. Uiteindelijk ontstaat een thermisch evenwicht, waarbij de dan gevormde gasbol - ster geheten - evenveel energie produceert als uitzendt. Dit scenario wordt echter alleen voltooid wanneer de gasbol een massa van meer dan 0,08 zonsmassa heeft.

Berekeningen aan stermodellen laten zien dat in lichtere gasbollen aanvankelijk fusie van deuterium (een zeldzame isotoop van waterstof) tot helium zal plaatsvinden, waardoor de gasbol zich een tijdje als ster voordoet. Als deze fusiebrandstof na zo'n tien miljoen jaar echter op is, zal de bruine dwerg onherroepelijk afkoelen, uitdoven en onzichtbaar worden. In gasbollen lichter dan 0,013 zonsmassa, ofwel 13 maal de massa van Jupiter, kan zelfs geen deuteriumfusie plaatsvinden. Deze objecten kunnen alleen contractiewarmte uitzenden en doven nog sneller uit.

Astronomen zijn zeer geïnteresseerd in de vraag hoe licht de lichtste gasbollen zijn die langs deze weg kunnen ontstaan en in welke aantallen zij voorkomen. Om die vraag te kunnen beantwoorden zoeken zij vooral in gebieden waar nog maar kort geleden sterren zijn ontstaan. Dit vergroot de kans dat de ook gevormde bruine dwergen nog zo jong zijn dat zij nog voldoende licht uitzenden om te kunnen worden waargenomen. Een van de meest kansrijke gebieden is het centrum van de Orionnevel, waarin zich sterren bevinden die hooguit een paar miljoen jaar oud zijn.

Op de universiteit van Oxford is voor het detecteren van de zwakke infraroodstraling van bruine dwergen een gevoelige infraroodcamera gebouwd: de UKIRT Fast Track Imager (waarbij UKIRT op de Britse infraroodtelescoop op Hawaii slaat). Hiermee hebben Philip Lucas en Patrick Roche in het centrum van de Orionnevel 515 objecten gevonden, waarvan ongeveer een derde waarschijnlijk bruine dwergen zijn. Zij zijn namelijk zwakker dan de lichtste ster van die ouderdom kan zijn. Ongeveer 13 van die dwergen heeft een massa kleiner dan 13 maal die van Jupiter: de ondergrens voor deuteriumfusie.

Een andere groep astronomen, geleid door Rafael Rebolo en Maria Zapatero-Osorio van het Instituto Astrofysica de Canarias op Tenerife, heeft in een aangrenzend gebied in de Orionnevel zo'n 40 bruine dwergen gevonden, waarvan ongeveer een dozijn een massa van minder dan 13 maal die van Jupiter heeft. Als de nu ontdekte populaties worden doorgerekend naar het gehele melkwegstelsel, zouden daarin honderden miljoenen lichtgewicht bruine dwergen moeten rondzwerven.

Opmerkelijk is dat er in de Orionnevel geen gasbollen met een massa van kleiner dan 8 maal die van Jupiter zijn gevonden. Als dit niet een gevolg is van de begrensde gevoeligheid van de gebruikte apparatuur, betekent dit dat het natuurlijke proces van stervorming dus bij deze massa een ondergrens bereikt. Maar in hun (nog niet verschenen) artikel in de Monthly Notices of the R.A.S. betogen Lucas en Roche dat dit niet automatisch betekent dat er elders niet nòg kleinere gasbollen kunnen ontstaan.

Astronomen denken dat in een interstellaire wolk sneller grotere sterren worden gevormd dan kleinere. De sterke straling van deze eerste zullen het gas in de wolk verhitten en wegblazen, waardoor het ontstaan van andere sterren in hun omgeving wordt bemoeilijkt en vooral de kleinere wolkfragmenten niet voldoende tijd krijgen om zich samen te trekken. Die grens ligt in de Orionnevel wellicht bij gasmassa's van 8 maal die van Jupiter, maar het is heel goed mogelijk dat in gebieden met wat rustiger stervorming gasbollen met een massa tot die van Jupiter - of nog kleiner - kunnen ontstaan.

De kleinste massa van de gasbollen die via het proces van stervorming ontstaan is dus vergelijkbaar met de massa van de grootste planeet van ons zonnestelsel. Die is echter op een geheel andere wijze ontstaan: in een schijf van gas en stof die zich rond de protozon bevond. Hierin vormden zich door samenklontering van vaste deeltjes eerst planetesimalen (nu nog aanwezig als planetoïden en komeetkernen), die vervolgens door samensmelting planeten vormden. De objecten op grotere afstand van de zon konden door het aantrekken van grote hoeveelheden gas verder doorgroeien tot planeten van het formaat van Jupiter.

De waarnemingen in de Orionnevel wijzen er nu op dat planeten van het formaat van Jupiter op twee verschillende manieren kunnen ontstaan. Mede om die reden is onlangs voorgesteld om het begrip `planeet' uit te breiden en niet meer te koppelen aan de mogelijke ontstaanswijze. Een planeet zou dan elk substellair object zijn dat te licht is voor deuteriumfusie. Planeten zouden dus zowel rond een ster kunnen draaien als vrij in de ruimte kunnen bewegen en de aarde zou opeens verwant worden aan een zee van ondermaatse bruine dwergen in het melkwegstelsel.

    • George Beekman