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Brauner Zwerg in 20 Lichtjahren zeigt überraschend geordnetes Wetter
Wetter ohne Sonne: Auf dem rund 20 Lichtjahre entfernten Braunen Zwerg SIMP 0136 lassen sich die beobachteten Veränderungen offenbar auf nur zwei grundlegende Muster zurückführen. Sie passen zu Veränderungen der Temperaturstruktur und der vertikalen Ausdehnung von Wolken. Daraus ergibt sich ein Wechselspiel aus drei wiederkehrenden Atmosphärenzuständen, die beim Rotieren nacheinander stärker ins Blickfeld geraten.
Dublin (Irland). Braune Zwerge sind substellare Welten zwischen Gasriesen und Sternen. Sie können heißer und massereicher als Planeten sein, sind aber zu massearm, um wie Sterne zu leuchten. SIMP 0136 gehört zur Spektralklasse T2.5, ist etwa 200 Millionen Jahre alt und dreht sich in rund 2,4 Stunden einmal um die eigene Achse.
Diese schnelle Rotation macht wechselnde Wolkenfelder und Temperaturunterschiede in seinem Licht sichtbar. Doch aus den Spektren herauszulesen, welche physikalischen Prozesse hinter solchen Helligkeitsschwankungen stecken, ist schwierig. Frühere Analysen derselben Webb-Daten hatten bereits auf eine vielschichtige Atmosphäre mit thermischen Veränderungen und Wolken hingedeutet.
Forscher des Trinity College Dublin (TCD) um Merle A. Schrader haben die zeitaufgelösten Spektren nun mit einer Hauptkomponentenanalyse ausgewertet. Schrader ist in der Facharbeit als Corresponding Author ausgewiesen. Das Team nutzte Daten des James Webb Space Telescope (JWST), die SIMP 0136 am 23. Juli 2023 fast drei Stunden lang mit NIRSpec beobachtet hatten. Für die eigentliche Analyse berücksichtigten die Forscher eine vollständige Rotation.
Die Methode sucht nach Mustern von Wellenlängen, die sich gemeinsam verändern, ohne vorab ein bestimmtes Atmosphärenmodell vorauszusetzen. Zwei solche Hauptkomponenten reichten aus, um die verbleibenden Spektren bis auf das erwartete Messrauschen zu erklären. Zusammen machten sie 79 Prozent der gesamten Varianz aus. Dieser Wert entspricht allerdings nicht direkt dem Anteil der astrophysikalischen Veränderlichkeit, weil auch Photonen- und Detektorrauschen zur Gesamtvarianz beitragen.
Der erste Haupttrend passt vor allem zu Veränderungen der thermischen Struktur der Atmosphäre. Der zweite betont Spektralbereiche, die in den Modellvergleichen mit der vertikalen Ausdehnung der Wolken zusammenhängen. Die Hauptkomponenten sind dabei keine direkten Bilder einzelner Wolkengebiete, sondern mathematische Muster dafür, wie sich das Gesamtspektrum des rotierenden Braunen Zwergs verändert.
„Relativ gesehen gehört SIMP 0136 zu den Braunen Zwergen, von denen wir vergleichsweise leicht hochwertige Daten gewinnen können. Diese Daten wurden bereits mit etablierten Methoden untersucht, sodass wir einige Ergebnisse dieser neuen Technik mit dem vergleichen konnten, was wir über dieses Objekt bereits wissen. Die Technik hat uns außerdem geholfen, besser zu verstehen, was das Wetter auf dieser fernen Welt antreibt und wie diese Wettermuster miteinander interagieren und nebeneinander bestehen, doch vielleicht noch wichtiger ist, dass sie zeigt, wie sich dieser Ansatz weiter verfeinern und auf andere, weniger gut bekannte Braune Zwerge in anderen Regionen des Weltraums anwenden lässt“, erklärt Merle A. Schrader.
Aus den zwei dominanten Veränderungsrichtungen ergibt sich in der Analyse eine überraschend einfache Geometrie. Die beobachteten Spektren lassen sich als Mischungen aus drei extremen Atmosphärenzuständen beschreiben. Einer entspricht einem heißeren Zustand mit vergleichsweise dünneren Wolken. Die beiden anderen liegen in einem kühleren Bereich und unterscheiden sich vor allem darin, wie weit sich die Wolken vertikal erstrecken.
Diese drei Zustände dürfen nicht als reine, klar abgegrenzte Flecken auf der Oberfläche verstanden werden. Webb sieht den Braunen Zwerg nur als nicht aufgelösten Lichtpunkt, sodass jedes Spektrum Beiträge mehrerer Regionen enthält. Dennoch zeigen die wechselnden Anteile der drei Zustände, dass verschiedene Atmosphärenbereiche bei unterschiedlichen Rotationsphasen st