Hoe koud kan een ster zijn?

Sterren kunnen op grond van hun temperatuur in klasses worden ingedeeld en omdat de temperatuur van een ster de kleur bepaalt wordt deze manier van indelen “spectraal type” genoemd. De hoofdcategorieën van de verschillende spectraal types zijn O,B,A,F,G,K en M. De heetste sterren zijn van spectraalklasse O, de kleinste sterren (rode dwergen) zijn van spectraalklasse M. Onze Zon is van spectraalklasse G.

bruine dwergen spectraalklasses
De verschillende spectraalklasses voor bruine dwergen (Credit: NASA/JPL)

Uitgedrukt in massa zijn rode dwergen kleine sterren. Grote rode dwergen hebben een massa gelijk aan de helft van onze Zon maar er zijn ook rode dwergen bekend die slechts 0,075 zonsmassa zwaar zijn (dat is ongeveer 78 maal de massa van Jupiter). Onder die massa is een ster niet zwaar genoeg om met behulp van kernfusie waterstof uit zijn kern om te zetten. Omdat waterstof het meest voorkomende element is en de fusie van waterstof tot helium de belangrijkste energiebron voor een ster is kan een object met een massa minder dan 78 Jupiter-massa’s geen energie produceren op de manier zoals sterren op de hoofdreeks dat doen. Alles met een massa van meer dan 78 Jupiter-massa’s is dus een ster en alles met een lagere massa is een planeet. Dat klinkt eenvoudig maar helaas ligt de werkelijkheid wat genuanceerder.

Een ster met een massa minder dan 78 Jupiters wordt vaak aangeduid als een bruine dwerg. Ofschoon bruine dwergen te klein zijn om waterstof te fuseren kunnen ze wel andere elementen fuseren. Als een bruine dwerg zwaarder is dan 65 Jupiters dan kan lithium worden gefuseerd. Als de bruine dwerg zwaarder is dan 13 Jupiters dan kan deuterium worden gefuseerd (deuterium is waterstof met een proton en een neutron in plaats van alleen een proton).

Verschil Waterstof - Deuterium - Tritium
Het verschil tussen waterstof, deuterium en tritium

De grootste bruine dwergen hebben een oppervlakte temperatuur van ongeveer 2800 Kelvin. Dit is de helft van de oppervlakte temperatuur van de Zon die 5800 Kelvin bedraagt. Maar deze temperatuur zorgt voor de toevallige waarnemer wel voor een sterachtig uiterlijk. Hete bruine dwergen zijn in feite moeilijk te onderscheiden van koude rode dwergen. Je kan kijken naar de hoeveelheid lithium in de atmosfeer. Rode dwergen kunnen waterstof fuseren en fuseren dus ook het meeste van hun lithium (die proces is onder astronomen bekend als de lithium depletie). Bruine dwergen zijn nooit actief genoeg om al hun lithium te fuseren, er is dus nog steeds lithium zichtbaar in hun atmosfeer.

Omdat bruine dwergen geen waterstof kunnen fuseren, produceren ze nooit genoeg energie om een hoge temperatuur te handhaven. Als een bruine dwerg kouder wordt koelt hij ook af. Omdat sterren op basis van temperatuur worden ingedeeld veranderd een bruine dwerg van categorie als hij ouder wordt.

De heetste bruine dwergen bevinden zich aan de onderkant van de M-klasse maar de eerste echte bruine dwergen maken deel uit van de L-klasse. Dit zijn bruine dwergen met een oppervlakte temperatuur van ongeveer 1300 – 2000 Kelvin. Ze zijn koud genoeg zodat lithium en andere alkali-metalen in hun atmosfeer voorkomen. Na de L-klasse volgt nog de T-klasse met oppervlakte temperaturen van 700 – 1300 Kelvin. Deze bruine dwergen zijn het beste waarneembaar in het nabije infrarode licht. Ze zijn zo koud dat er methaan en andere moleculen in hun atmosfeer zijn te vinden.

Naar nu blijkt zijn zelfs de bruine dwergen uit de T-klasse nog niet de koudste sterren. Onlangs zijn er met de WISE infrarood telescoop zes hele koude bruine dwergen ontdekt. Ze hebben alle zes een temperatuur van minder dan 600 Kelvin en zijn in een nieuwe categorie geplaatst: bruine dwergen van spectraal type Y. De koudste van deze sterren heeft een atmosferische temperatuur van 300 Kelvin; ongeveer kamertemperatuur.

Dan moet je je afvragen of een object met een dergelijk lage temperatuur wel als een ster mag worden beschouwd. Er zijn genoeg astronomen die dat ook betwijfelen want dergelijke objecten lijken meer op Jupiter dan op de Zon.

Vanwege hun extreem lage temperaturen zijn deze spectraal type Y dwergen redelijk controversieel. Maar deze dwergen zijn groter dan de minimaal 13 Jupitermassa’s die nodig zijn om deuterium te fuseren en als we de mogelijkheid tot fusie definiëren als voorwaarde voor een ster dan zijn deze objecten technisch gesproken dus sterren. De allerkoudste sterren dus die we kennen.

Bronnen:

Eerste publicatie: 24 oktober 2014