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Le nane brune sono talvolta chiamate stelle fallite, poiché si formano come stelle attraverso il collasso gravitazionale, ma non raggiungono mai una massa sufficiente per innescare la fusione nucleare. Nel tentativo di trovare la nana bruna più piccola, gli astronomi utilizzando il telescopio spaziale James Webb della NASA/ESA/CSA hanno trovato il nuovo detentore del record: un oggetto che pesa solo tre o quattro volte la massa di Giove.
Le nane brune sono oggetti che si trovano a cavallo della linea di demarcazione tra stelle e pianeti.
Si formano come stelle, crescendo abbastanza dense da collassare sotto la loro stessa gravità, ma non diventano mai abbastanza dense e calde da iniziare a fondere l’idrogeno e trasformarsi in astri.
All’estremità inferiore della scala, alcune nane brune sono paragonabili ai pianeti giganti, pesando solo poche volte la massa di Giove.
Gli astronomi stanno cercando di determinare l’oggetto più piccolo che può formarsi in modo simile a una stella.
Un team internazionale che utilizza il telescopio spaziale James Webb della NASA/ESA/CSA ha identificato il nuovo detentore del record: una minuscola nana bruna fluttuante con solo tre o quattro volte la massa di Giove.
“Una domanda fondamentale in ogni libro di testo di astronomia è: quali sono le stelle più piccole? Questo è ciò a cui stiamo cercando di rispondere”, ha spiegato l’autore principale Kevin Luhman della Pennsylvania State University.
Per localizzare questa nuova nana bruna, Luhman e la sua collega, Catarina Alves de Oliveira, hanno scelto di studiare l’ammasso stellare IC 348, situato a circa 1000 anni luce di distanza nella regione di formazione stellare di Perseo.
Questo ammasso è giovane, ha solo circa cinque milioni di anni.
Di conseguenza, le nane brune sarebbero ancora relativamente luminose nella luce infrarossa, risplendendo per il calore della loro formazione.
Il team ha prima ripreso il centro dell’ammasso utilizzando la NIRCam (Near-Infrared Camera) di Webb per identificare le nane brune candidate dalla loro luminosità e dai loro colori.
Hanno seguito gli obiettivi più promettenti utilizzando l’array di microshutter NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) di Webb.
La sensibilità all’infrarosso di Webb è stata cruciale, consentendo al team di rilevare oggetti più deboli rispetto ai telescopi terrestri.
Inoltre, la visione nitida di Webb ha permesso loro di determinare quali oggetti infrarossi erano nane brune puntiformi e quali erano galassie di fondo a sfondo.
Questo processo di vagliatura ha portato a tre intriganti obiettivi del peso di 3-8 masse gioviane, con temperature superficiali comprese tra 830 e 1500 gradi Celsius.
Il più piccolo di questi pesa solo tre o quattro volte Giove, secondo i modelli computerizzati.
Spiegare come una nana bruna così piccola possa formarsi è teoricamente impegnativo.
Una nube di gas pesante e densa ha molta gravità per collassare e formare una stella.
Tuttavia, a causa della sua gravità più debole, dovrebbe essere più difficile per una piccola nube collassare per formare una nana bruna, e questo è particolarmente vero per le nane brune con le masse dei pianeti giganti.
“E’ abbastanza facile per i modelli attuali creare pianeti giganti in un disco attorno a una stella“, ha detto Catarina Alves de Oliveira dell’ESA, ricercatrice principale del programma di osservazione.
“Ma in questo ammasso, sarebbe improbabile che questo oggetto si sia formato in un disco, formando invece come una stella, e tre masse di Giove sono 300 volte più piccole del nostro Sole. Quindi dobbiamo chiederci: come funziona il processo di formazione stellare a masse così piccole?”
Oltre a fornire indizi sul processo di formazione stellare, le minuscole nane brune possono anche aiutare gli astronomi a comprendere meglio gli esopianeti.
Le nane brune meno massicce si sovrappongono agli esopianeti più grandi per alcune caratteristiche; pertanto, ci si aspetterebbe che abbiano alcune proprietà simili.
Tuttavia, una nana bruna fluttuante è più facile da studiare rispetto a un esopianeta gigante poiché quest’ultimo è nascosto nel bagliore della sua stella ospite.
Due delle nane brune identificate in questa survey mostrano la firma spettrale di un idrocarburo non identificato, una molecola contenente sia atomi di idrogeno che di carbonio.
La stessa firma infrarossa è stata rilevata dalla missione Cassini della NASA nelle atmosfere di Saturno e della sua luna Titano. È stato visto anche nel mezzo interstellare, il gas tra le stelle.
“Questa è la prima volta che abbiamo rilevato questa molecola nell’atmosfera di un oggetto al di fuori del nostro Sistema Solare“, ha spiegato Alves de Oliveira.
“I modelli per le atmosfere delle nane brune non ne prevedono l’esistenza. Stiamo osservando oggetti con età più giovani e masse inferiori rispetto a prima, e stiamo vedendo qualcosa di nuovo e inaspettato“.
Dal momento che gli oggetti sono ben all’interno della gamma di massa dei pianeti giganti, si pone la questione se siano davvero nane brune, o in realtà pianeti canaglia che sono stati espulsi dai sistemi planetari.
Anche se il team non può escludere quest’ultimo, sostiene che è molto più probabile che si tratti di nane brune piuttosto che di pianeti espulsi.
L’espulsione di un pianeta gigante è improbabile per due motivi. Innanzitutto, tali pianeti sono rari in generale rispetto ai pianeti con masse più piccole.
In secondo luogo, la maggior parte delle stelle sono stelle di piccola massa e i pianeti giganti sono particolarmente rari tra queste stelle.
Di conseguenza, è improbabile che la maggior parte delle stelle in IC 348 (che sono stelle di piccola massa) siano in grado di produrre pianeti così massicci. Inoltre, poiché l’ammasso ha solo cinque milioni di anni, probabilmente non c’è stato abbastanza tempo perché i pianeti giganti si formassero e poi venissero espulsi dai loro sistemi.
La scoperta di altri oggetti di questo tipo aiuterà a chiarire il loro status.
Le teorie suggeriscono che è più probabile che i pianeti canaglia si trovino alla periferia di un ammasso stellare, quindi l’espansione dell’area di ricerca potrebbe identificarli se esistono all’interno di IC 348.
Il lavoro futuro potrebbe anche includere indagini più lunghe in grado di rilevare oggetti più deboli e più piccoli.
Ci si aspettava che la breve indagine condotta dal team rilevasse oggetti piccoli fino al doppio della massa di Giove. Survey più lunghe potrebbero facilmente raggiungere una massa gioviana.
Crediti: NASA, ESA, CSA, STScI, and K. Luhman (Penn State University) and C. Alves de Oliveira (European Space Agency)
