Braune Zwerge: Diese seltsamen Himmelsgestalten

Der Astronom Aleks Scholz forscht an Braunen Zwergen – seltsamen Himmelskörpern zwischen Stern und Planet. Seit 25 Jahren beobachtet er das All, viele Nächte lang, um diese Objekte zu finden. Was hat er dabei entdeckt? Wie geht er vor? Und wozu macht er das nur?

Im Oktober 1995 trafen sich ein paar hundert Astronom:innen zu einer Tagung in Florenz. Das Thema: kühle Sterne. Wenn Astronom:innen »kühl« sagen, muss man immer vorsichtig sein. Sie meinen damit mindestens »ziemlich warm« oder meistens »so heiß, dass Stahl schmilzt«. Die kühlsten Sterne haben immer noch eine Oberflächentemperatur von 3.000 Grad Celsius. Selbst die Sonne, mit einer Temperatur von 6.000 Grad an der Oberfläche, gilt unter Astronom:innen als »kühl«.

Die Tagung in Florenz war wegen zwei Ereignissen bemerkenswert. Eins davon war ein Vortrag über die Entdeckung der ersten Exoplaneten. Das sind Planeten, die Sterne umkreisen, die nicht die Sonne sind. Dafür erhielten Michel Mayor und Didier Queloz 24 Jahre später den Nobelpreis für Physik.

Das andere: Ein spanisches Team präsentiert Teide 1, den ersten Braunen Zwerg. Teide 1 wohnt im Sternbild der Plejaden: 440 Lichtjahre entfernt, 100 Millionen Jahre alt und von der Nordhalbkugel aus den ganzen Herbst und Winter gut sichtbar am Nachthimmel. Als die Astronom:innen Rafael Rebolo López, María Rosa Zapatero Osorio und Eduardo Martín in Florenz die Entdeckung von Teide 1 verkünden, fing ich gerade damit an, an der Universität Würzburg Physik zu studieren. Ich war seit zehn Jahren Hobbyastronom, aber von Braunen Zwergen hatte ich noch nie gehört. Quasare, Pulsare, Weiße Zwerge und die anderen seltsamen Bewohner des Universums, mir alle bekannt, aber Braune Zwerge waren zu neu und noch nicht in die Lehrbücher vorgedrungen. Fünf Jahre später fing ich selbst damit an, Braune Zwerge zu untersuchen. Ich war Doktorand in einem Forschungsprojekt an der Thüringer Landessternwarte in Tautenburg, und zu diesem Zeitpunkt waren schon um die hundert dieser obskuren Objekte bekannt. Noch mal zwanzig Jahre später sind es Tausende, und ich arbeite immer noch an Braunen Zwergen.

 Weder Sterne noch Planeten

Braune Zwerge sind ein Mittelding aus Sternen und Planeten. Am Anfang ihres Lebens sind sie noch heiß genug, um mit Sternen verwechselt werden zu können. Sie bestehen, wie die Sonne, aus Plasma, also heißem, ionisiertem Gas. Dann aber werden Braune Zwerge kälter und kälter, bis sie beinahe so aussehen wie Jupiter oder andere Riesenplaneten. Sie haben eine Atmosphäre und wechselndes Wetter – Wolken und Stürme zum Beispiel. Kristalliner Staub fällt aus dem Himmel wie seltsamer, schillernder Hagel. Später frieren Braune Zwerge immer mehr ein, bis sie schließlich einem großen, schmutzigen Schneeball ähneln.

Braune Zwerge sind Himmelsobjekte, die kühler und leichter sind als Sterne. Sie erreichen im Inneren nicht die extremen Bedingungen, die dauerhaft zur Fusion von Wasserstoffatomen führen – zu dem Prozess also, der Sterne zum Leuchten bringt. Braune Zwerge sind nicht wirklich braun. Sie heißen nur so, weil die meisten anderen Farben schon an andere Himmelsobjekte vergeben waren. Braune Zwerge sehen eher dunkelrot aus. Schon in den Sechzigerjahren spekulierte man darüber, ob es Braune Zwerge geben könnte. Doch es dauerte dreißig Jahre, sie tatsächlich zu finden. Denn ohne eine stabile Energieversorgung, wie Sterne sie haben, verglimmen sie von Geburt an und verschwinden allmählich im Dunkel des Universums. Wie glühende Kohle, die man aus dem Feuer genommen hat.

Durch einen kosmischen Zufall ist die Sonne ungefähr tausendmal so schwer wie ihr größter Planet Jupiter. Die kleinsten Sterne im Universum haben acht Prozent der Masse unserer Sonne. Das sind also 80 Jupitermassen. Unterhalb dieser Grenze liegt die Welt der Braunen Zwerge. Die Internationale Astronomische Union (IAU) hat eine offizielle Definition von »Brauner Zwerg«: Sie besagt, dass diese mindestens zwölf bis 15 Jupitermassen haben müssen. Allerdings habe ich den Begriff schon immer auch für masseärmere Objekte benutzt, und viele Kolleg:innen auch. Denn es gibt ein Problem mit der IAU-Definition: Sie hinterlässt jede Menge Zeug, das nirgendwo dazugehört. Wir haben zum Beispiel Braune Zwerge gefunden, die nur fünf Jupitermassen schwer sind. Sie sehen aus wie Riesenplaneten, nur kreisen sie nicht um einen Stern, wie das Planeten tun. Sie fliegen allein durch die Milchstraße. Weil es für sie keinen offiziellen Namen gibt, nennen wir sie »free-floating planetary-mass objects«. Oder eben einfach Braune Zwerge.

Braune Zwerge sind keine Exoten. Im Gegenteil, sie sind völlig normal im Universum. Sie entstehen überall da, wo sich Sterne bilden. Der nächstgelegene Braune Zwerg sind eigentlich zwei, die sich umkreisen: ein System, das Luhman 16 heißt. Diese beiden sind nur sechseinhalb Lichtjahre von der Erde entfernt, das ist praktisch um die Ecke. Manchmal kommen Braune Zwerge direkt bei uns vorbei: Vor ungefähr 70.000 Jahren flog einer durch die Außenbezirke unseres Sonnensystems. Nach aktuellen Schätzungen gibt es ungefähr viermal so viele Sterne wie Braune Zwerge. Das bedeutet: In der Milchstraße fliegen bis zu hundert Milliarden Braune Zwerge herum. Ein Kollege sagte einst abschätzig zu mir, dass Braune Zwerge nur der »Dreck unter dem Fingernagel des Universums« seien. Vielleicht. Aber es ist ziemlich viel Dreck.

Ein Nebenprodukt der Sternentstehung

Aber wo kommen die vielen Braunen Zwerge überhaupt her? Das ist seit 2004 eine der großen Fragen, an denen ich arbeite. Sterne und Planeten entstehen auf zwei grundlegend unterschiedlichen Wegen. Sterne, wie die Sonne, bilden sich aus großen Wolken voller kaltem Gas und ein wenig Staub. Wenn diese Wolken unter ihrem eigenen Gewicht kollabieren, kommen Sterne heraus – aus etwas Großem (der Wolke) entstehen kleinere Dinge (ein Haufen Sterne). Die meisten Planeten dagegen fangen als etwas sehr Kleines an: Ein paar Staubkörner klumpen zusammen, daraus wird ein Felsen, dann ein Planet. Planeten bilden sich in flachen Wolken, die neugeborene Sterne umgeben, den Resten der viel größeren Wolke, aus der die Sterne entstanden sind. Planeten sind also eine Art Resteverwertung der Sternentstehung. Zuerst kommt die Wolke, dann ein Haufen Sterne, dann Planeten, die diese Sterne umkreisen.

Zurück zu Braunen Zwergen: Sind es nun kleine Sterne, die nur bei der Geburt nicht genug Material abkriegen, um wirklich wie Sterne zu leuchten? Oder sind es große Planeten, die es nach ihrer Geburt irgendwie geschafft haben, ihrem Stern zu entkommen und seitdem allein durchs All ziehen? Sind es verhinderte Sterne oder außer Kontrolle geratene Planeten? Und wie finde ich das heraus, wenn der Vorgang Millionen Jahre dauert und ich nicht direkt zusehen kann? Die Antwort: Ich sehe mir junge Braune Zwerge genau an und suche nach den Spuren ihrer Herkunft.

Bewegen sie sich vielleicht anders als junge Sterne? (Nein.) Befinden sie sich in großen Gaswolken? (Ja.) Sammeln sie vielleicht noch Material von der Wolke ein? (Ja.) Gibt es Doppelsysteme, so wie bei Sternen? (Ja.) All diese Fragen haben wir den letzten zwanzig Jahren nach und nach geklärt, in vielen kleinen Schritten, mithilfe der größten Teleskope der Welt und unterstützt durch Computersimulationen. Heute sind sich Astronom:innen weitgehend einig: Die meisten Braunen Zwerge entstehen wie Sterne aus einer Wolke, als eine Art Nebenprodukt der Sternentstehung.

Damit ist zwar eine Frage geklärt. Aber sofort stellen sich ein paar neue: Wenn Braune Zwerge wie Sterne entstehen, können sie dann auch ihre eigenen kleinen Planetensysteme haben, in einer Art Miniaturversion des Sonnensystems? Und wie würden wir diese nennen? Gibt es außerdem doch noch freifliegende Planeten, wenn ja, wie viele, und wo sind sie? Warum haben wir sie bisher nicht gesehen? Oder haben wir sie gesehen, wissen es nur noch nicht? Und wie können wir diese freifliegenden Planeten von Braunen Zwergen unterscheiden?

Gesucht: Braune Zwerge

Braune Zwerge sind schwer zu finden. Selbst die hellsten Braunen Zwerge erzeugen nur fünf Prozent der Energie der Sonne, und das auch nur, wenn sie ganz jung sind. Wenn Astronom:innen »ganz jung« sagen, muss man vorsichtig sein, so ähnlich wie bei »kühl«, denn mit jung meinen sie »so eine Million Jahre alt«. Nach zehn Millionen Jahren strahlen Braune Zwerge noch höchstens ein Prozent der Sonnenenergie ab. Fast alle Braunen Zwerge, die wir bisher kennen, sind entweder jung oder nicht besonders weit entfernt – weil sie somit leichter aufzuspüren sind. Aber selbst dafür benötigt man leistungsstarke Teleskope und die richtige Methode, um Braune Zwerge zu identifizieren.

Wenn ich nach jungen Braunen Zwergen suche, dann nehme ich ein sehr großes Teleskop, richte es auf einen jungen Sternhaufen und fotografiere den Himmel in dieser Gegend. Die Teleskope sind in Chile, auf Hawaii oder im Weltraum, in jedem Fall: Weit weg von meinem Büro in Schottland. Manchmal fahre ich selbst zum Teleskop. Viel häufiger erledigen das Beobachten die Spezialist:innen vor Ort, oder das Teleskop macht die Arbeit ganz allein. Ich plane die Beobachtungen bis ins kleinste Detail, oft Monate im Voraus, und am Ende kommen die Bilder übers Internet.

Ich beobachte mit hochempfindlichen Kameras, die mit Filtern ausgerüstet sind. Im einfachsten Fall sind das farbige Glasscheiben, die nur rotes oder gelbes oder blaues Licht durchlassen. Ich beobachte dieselbe Himmelsgegend mit mehreren Filtern, um herauszufinden, ob Objekte vorwiegend blaues oder rotes Licht abstrahlen. Die Auswertung der Bilder erfolgt komplett am Computer, mithilfe von Spezialsoftware und selbst geschriebenem Code. Ich finde dieObjekte, messe ihre Positionen, ihre Helligkeit und ihre Farben.

Die Farbe der Sterne

Nach einer einfachen Regel der Physik hängt die Farbe eines Sterns davon ab, wie heiß er ist. Ein sehr heißer Stern erscheint blau, wie Spica im Sternbild Jungfrau, mit einer Oberflächentemperatur von 25.000 Grad. Ein Stern wie Beteigeuze, dessen Oberfläche nur 3.500 Grad warm ist, sieht rot aus. Wenn ich nach Braunen Zwergen suche, mache ich mir dieses Gesetz zunutze: Ich suche in den Bildern nach Objekten, die rot erscheinen und außerdem lichtschwach sind.

An dieser Stelle fangen die Komplikationen an. Es gibt im Universum leider noch ganz andere Dinge, die eine ähnliche Farbe haben, Rote Riesensterne zum Beispiel. Dazu kommt, dass Staubwolken in der Milchstraße das Licht von ganz normalen Sternen abschwächen und deren Farbe zum Roten verändern. Allein durch Farbe und Helligkeit kann man Braune Zwerge deshalb nicht zweifelsfrei von dem ganzen anderen Himmelszeug unterscheiden.

Deshalb folgt bei der Suche nach Braunen Zwergen meist noch ein zweiter Schritt: Wir bestimmen ein sogenanntes Spektrum. Dafür zerlegen wir die Strahlung in ihre Bestandteile. So können wir mehr über die Atmosphären der Himmelsobjekte herausfinden. Die äußeren Schichten von Sternen sind eine Art heiße Suppe aus Atomen und Atomrümpfen. Wenn diese Suppe abkühlt, klumpen die Atome irgendwann zusammen und es entstehen Moleküle. Genau das passiert in den Atmosphären von Braunen Zwergen. Zunächst bildet sich Wasser, dann Kohlenmonoxid, Methan, schließlich Ammoniak. Diese Moleküle verschlucken Licht bestimmter Wellenlängen, insbesondere infrarotes Licht. Deshalb sehen die Spektren von Braunen Zwergen aus wie ein Gebirge – bei manchen Wellenlängen kommt viel Licht an, bei anderen sehr wenig. Die Spektren offenbaren damit den chemischen Fingerabdruck der Atmosphären von Braunen Zwergen.

Der gesamte Prozess geht also wieder von vorne los: Wieder plane ich Beobachtungen mit großen Teleskopen, wieder dauert es Monate, bis die Daten ankommen. Nur verwende ich diesmal ein Teleskop, das mit einem Spektrographen ausgerüstet ist. Noch einmal werden am Computer Daten ausgewertet, Messungen kalibriert, Software wird geschrieben. Am Ende kommt ein Spektrum heraus. Zeigt das die typischen Molekül-Gebirge, dann ist der Braune Zwerg endlich gefunden.

Ein neues Superteleskop

Im Herbst 1995 beginnt nicht nur unsere Geschichte der Braunen Zwerge, sondern auch die des besten Teleskops aller Zeiten. Am 30. Oktober 1995 fand John Mather, Astronom am NASA Goddard Space Flight Center, eine Nachricht auf seinem Anrufbeantworter. Mather wurde eingeladen, bei der Arbeit an einem neuen Weltraumteleskop mitzuwirken, das zu diesem Zeitpunkt prosaisch Next Generation Space Telescope (NGST) hieß. Es sollte sich um den Nachfolger vom Hubble-Weltraumteleskop handeln, das zu diesem Zeitpunkt seit fünf Jahren im All war. Sieben Jahre später wurde das NGST umbenannt und heißt seitdem James Webb Space Telescope, kurz Webb. Noch mal zwei Jahre später begann die Konstruktion. Der Start des Teleskops war für das Jahr 2007 geplant.

Im Laufe der Jahre musste der Start mehrfach verschoben werden. Und Webb wurde immer teurer: Ganz am Anfang plante man mit einem Budget von einer Milliarde Dollar. Am antizipierten Starttermin war diese Summe bereits ausgegeben und das Teleskop noch lange nicht fertig. Vier Jahre später drohte der amerikanische Kongress damit, das Budget zu kürzen oder sogar ganz zu streichen. Man einigte sich schließlich auf einen Gesamtetat von beinahe neun Milliarden Dollar, plus etwa eine Milliarde von den Partnerorganisationen in Europa und Kanada. Das bedeutet: Mit einer geschätzten Lebenszeit von zehn Jahren kostet jede Stunde Beobachtungszeit am Teleskop etwa 100.000 Dollar. In den Folgejahren wurde der Start noch dreimal verschoben. Am 25. Dezember 2021 startete Webb schließlich ins All. Noch mal vier Wochen später war das Teleskop an seinem Bestimmungsort angekommen und alle Systeme in Betrieb. Das James Webb Space Telescope begann endlich mit seiner Arbeit.

Der Hauptspiegel von Webb ist siebenmal größer als der von Hubble. Im Unterschied zu Hubble ist Webb weit weg von der Erde geparkt, genau genommen anderthalb Millionen Kilometer weit weg. Webb ist ein Infrarotteleskop, während Hubble vorwiegend Strahlung im sichtbaren Spektrum einsammelt. Webb ist insgesamt fünf- bis zehnmal empfindlicher als alle Riesenteleskope, die ihm vorausgingen. Es ist das ideale Teleskop für extrem lichtschwache, extrem rote Himmelsobjekte – zum Beispiel für Braune Zwerge.

Warten auf Webb

In den ersten fünfzehn Jahren nach Entdeckung der Braunen Zwerge ging es rapide voran mit ihrer Erforschung. Aber ungefähr um 2010 herum geriet der Fortschritt ins Stocken, weil die verfügbaren Teleskope nicht leistungsfähig genug waren. Meine Forschungsgruppe untersuchte in dieser Zeit eine Handvoll junger Sternhaufen, in denen sich auch Braune Zwerge befinden, die nicht viel schwerer sind als Jupiter. Aber viel mehr konnten wir über diese mysteriösen Objekte nicht herausfinden. Die größten Teleskope auf der Erde konnten gerade so bestätigen, womit wir es zu tun haben, aber mehr war nicht drin. Für eine Weile hatte ich das Gefühl, dass wir alle herumsaßen und auf Webb warteten, das neue Superteleskop. Das lässt sich auch in der Anzahl der Publikationen ablesen. Eine Weile stieg die Anzahl der Paper zum Stichwort brown dwarf stetig an, etwa ein Jahrzehnt lang. Aber dann stagnierten die Zahlen. Erst nach 2022 ging es wieder bergauf. Das Jahr 2025, das vierte Jahr in der Webb-Ära, hat eine gute Chance, den bisherigen Rekord zu brechen.

Als Webb dann kam, war es nicht nur so hervorragend wie angekündigt, sondern noch besser. Der Flug hatte weniger Treibstoff verbraucht als erwartet. Damit wird das Teleskop länger funktionsfähig bleiben als geplant, mindestens zehn, vielleicht zwanzig Jahre. Die Empfindlichkeit ist noch ein bisschen besser als vorhergesagt. Seit Sommer 2022 liefert Webb spektakuläre Daten, unter anderem von Braunen Zwergen. Zum ersten Mal ist es möglich, die Außenbezirke der Milchstraße nach Braunen Zwergen zu untersuchen, und nicht nur unsere nähere Nachbarschaft. Auch die ersten Braunen Zwerge in einer anderen Galaxie wurden schon gefunden. Zum ersten Mal gibt es die Chance herauszufinden, woraus die Atmosphären und die Wolken dieser Objekte bestehen. Wie das Wetter dort so ist. Viele Publikationen sind derzeit noch in der Phase des Staunens und Wunderns. Die harte Arbeit des Verstehens der neuen Daten hat gerade erst begonnen.

 Goldrausch

Wer mit Webb beobachten will, muss Monate im Voraus einen Antrag stellen, in dem ganz genau begründet wird, warum man eine Himmelsgegend betrachten will und wie viel Zeit man dafür benötigt. Der Andrang ist enorm – durchschnittlich werden neun von zehn Anträgen abgelehnt. Die Braunen Zwerge müssen sich gegen alle anderen interessanten Himmelsobjekte behaupten, von aktiven Galaxien über Schwarze Löcher bis hin zu Kometen. Sie kriegen daher nur einen kleinen Bruchteil der Beobachtungszeit. Doch das Teleskop ist so leistungsfähig, dass selbst ein paar Stunden Beobachtungszeit ergiebig sein können. Das lange Warten auf das neue Teleskop hat sich jedenfalls gelohnt. Es fühlt sich an wie ein Goldrausch. Man muss an der richtigen Stelle graben, aber dann kann man ganz schnell reich werden. Reich natürlich nur im übertragenen Sinne, denn mit Astronomie wird kaum jemand reich.

Allmählich arbeiten wir uns zu kleineren Objekten vor. Wie viel Licht so ein Ding abstrahlt, hängt entscheidend von der Masse ab. Ein junger Brauner Zwerg, der zehnmal so schwer ist wie Jupiter, strahlt nur ein Tausendstel der Strahlung der Sonne ab. Das ist mit Webb kein großes Problem. Aber wenn der Braune Zwerg ungefähr so schwer ist wie Jupiter, ist es nur noch ein Fünfzigtausendstel. Und hier stoßen wir sogar an die Grenzen des neuen Teleskops. Bisher gibt es zwar Kandidaten in diesem Massebereich, aber es wird noch dauern, bis wir genau wissen, wie viele davon echt sind. Und bis wir besser verstehen, wo sie herkommen. Langsam, Schritt für Schritt, geht es vorwärts.

Die Welt durch ein neues Teleskop zu betrachten bringt immer Überraschungen – als hätte man bisher in dichtem Nebel gelebt, der sich jetzt zum ersten Mal lichtet. Was eben noch wie ein Baum aussah, ist in Wahrheit ein Kirchturm. Anstatt verrauschter Spektren sehen wir auf einmal Details, die wir so nicht eingeplant hatten. Die neue Klarheit ist überwältigend. Die alten Fragen sind schnell beantwortet. Stattdessen stellen sich sofort völlig neue Fragen.

Im Juni 2025 etwa macht Cha1107-7626 etwas Überraschendes. Es handelt sich dabei um einen jungen Braunen Zwerg, der nur fünf oder zehnmal so schwer ist wie Jupiter – genauer wissen wir es nicht. Nennen wir dieses Objekt einmal Faustina, um den kryptischen Namen zu vermeiden. Faustina sitzt in einem scheibenförmigen Strudel aus Gas und Staub, die typische Kinderstube von Planeten. Faustina ist so jung, dass sie noch nicht mit Wachsen fertig ist. Ein kleines bisschen Gas regnet immer noch auf den Braunen Zwerg. Wenn Astronomen »ein kleines bisschen« sagen, muss man vorsichtig sein, in diesem Fall heißt es etwa eine Milliarde Tonnen pro Sekunde. Im Juni wird Faustina nun auf einmal heller, fünfmal, siebenmal heller, innerhalb von ein paar Wochen. Immer mehr Gas regnet auf den Braunen Zwerg. Im August ist es zehnmal so viel wie im April. Wir sehen das zunächst in Daten, die von einem Teleskop in Chile stammen. Ende Juli forderte ich neue Beobachtungen mit Webb an, um mehr herauszufinden. Und dann sehen wir etwas völlig Neues: In dem Strudel hat sich Wasserdampf gebildet, vermutlich, weil das Gas so warm geworden ist, dass sich Eisklumpen in Dampf auflösen. Faustinas nähere Umgebung ist eine Art Suppe, die gerade aufgewärmt wird, vermutlich nicht zum ersten Mal.

Dreißig Jahre Suchen: Was fangen wir damit an?

Im Oktober 2025 jährt sich die Entdeckung der Braunen Zwerge zum dreißigsten Mal. In diesen dreißig Jahren wurden Tausende wissenschaftliche Artikel über Braune Zwerge geschrieben. Die größten Teleskope der Welt verbrachten viele Nächte damit, Braune Zwerge anzustarren. Hunderte junge Forschende haben ihre Dissertationen über Braune Zwerge geschrieben. Vielleicht wird es nochmal dreißig Jahre dauern, bis wir alles über Braune Zwerge herausgefunden haben. Sagen wir, beinahe alles. Bis dahin bin ich lange in Rente.

Aber was fangen wir dann mit diesen seltsamen Himmelsgestalten an? Braune Zwerge sind kalt und unwirtlich. Sie bestehen aus Gas und Eis. Am Anfang ist das Wasser gasförmig, dann flüssig und schließlich friert alles zu. Um dort nach Gold oder Diamanten zu suchen, sind sie zu weit weg. Im Gegensatz zu den Planeten, die Sterne umkreisen, gibt es auf Braunen Zwergen keine stabilen Bedingungen für die Entwicklung von Leben. Vermutlich könnte man Bausteine des Lebens finden, komplexe organische Moleküle. Vielleicht gibt es dort sogar für eine Weile Mikroben, aber mehr nicht.

Im Jahr 1923 wurde der britische Bergsteiger George Mallory gefragt, warum er den Mount Everest besteigen will. Er gab die knappe Antwort: »Weil er da ist.« Werden wir in hundert Jahren auch auf die Erforschung der Braunen Zwerge zurückblicken und uns fragen, wozu jetzt der ganze Aufwand betrieben wurde? Falls ja, bleibt dann vermutlich auch nur die Antwort: »Weil sie da sind.«

Erschienen am 7. November 2025