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La Nebulosa Fiamma, una regione di formazione stellare nel Complesso Nube Molecolare di Orione, ha una lunga storia di osservazioni da telescopi come il telescopio spaziale Hubble della NASA. Tuttavia, le stelle più piccole all’interno del suo cuore oscuro e polveroso sono state in gran parte nascoste alla vista. La visione a infrarossi del telescopio spaziale James Webb della NASA ha dato un’occhiata per la prima volta, contando gli oggetti più piccoli e più deboli per determinare la massa più bassa richiesta per formare nane brune.
La Nebulosa Fiamma, situata a circa 1.400 anni luce di distanza dalla Terra, è un focolaio di formazione stellare di meno di un milione di anni.
All’interno della Nebulosa Fiamma, ci sono oggetti così piccoli che i loro nuclei non saranno mai in grado di fondere l’idrogeno come stelle a tutti gli effetti: le nane brune.
Le nane brune, spesso chiamate “stelle fallite”, nel tempo diventano molto deboli e molto più fredde delle stelle.
Questi fattori rendono difficile, se non impossibile, osservare le nane brune con la maggior parte dei telescopi, anche a distanze cosmicamente brevi dal Sole.
Quando sono molto giovani, tuttavia, sono ancora relativamente più caldi e luminosi e quindi più facili da osservare nonostante la polvere e il gas densi e oscuranti che compongono la Nebulosa Fiamma in questo caso.
Il telescopio spaziale James Webb della NASA è in grado di perforare questa regione densa e polverosa e vedere il debole bagliore infrarosso delle giovani nane brune.
Un team di astronomi ha utilizzato questa capacità per esplorare il limite di massa più basso delle nane brune all’interno della Nebulosa Fiamma.
Il risultato, hanno scoperto, erano oggetti fluttuanti circa due o tre volte la massa di Giove, anche se erano sensibili fino a 0,5 volte la massa di Giove.
“L’obiettivo di questo progetto era quello di esplorare il limite fondamentale di bassa massa del processo di formazione delle stelle e delle nane brune. Con Webb, siamo in grado di sondare gli oggetti più deboli e di massa più bassa”, ha detto l’autore principale dello studio Matthew De Furio dell’Università del Texas ad Austin.
Il limite di massa ridotto che il team ha cercato è fissato da un processo chiamato frammentazione. In questo processo le grandi nubi molecolari, da cui nascono sia le stelle che le nane brune, si rompono in unità sempre più piccole, o frammenti.
La frammentazione dipende fortemente da diversi fattori, tra cui l’equilibrio tra temperatura, pressione termica e gravità tra i più importanti.
Più specificamente, quando i frammenti si contraggono sotto la forza di gravità, i loro nuclei si riscaldano. Se un nucleo è abbastanza massiccio, inizierà a fondere l’idrogeno.
La pressione verso l’esterno creata da quella fusione contrasta la gravità, fermando il collasso e stabilizzando l’oggetto (allora noto come stella).
Tuttavia, i frammenti i cui nuclei non sono abbastanza compatti e caldi da bruciare idrogeno continuano a contrarsi finché irradiano il loro calore interno.
“Il raffreddamento di queste nuvole è importante perché se si dispone di energia interna, si combatte la gravità”, afferma Michael Meyer dell’Università del Michigan. “Se le nuvole si raffreddano in modo efficiente, collassano e si rompono”.
La frammentazione si arresta quando un frammento diventa abbastanza opaco da riassorbire la propria radiazione, arrestando così il raffreddamento e prevenendo ulteriori collassi.
Le teorie collocavano il limite inferiore di questi frammenti tra una e dieci masse di Giove.
Questo studio riduce significativamente tale intervallo poiché il censimento di Webb ha contato frammenti di diverse masse all’interno della nebulosa.
“Come riscontrato in molti studi precedenti, quando si va a masse più basse, si ottengono in realtà più oggetti fino a circa dieci volte la massa di Giove. Nel nostro studio con il telescopio spaziale James Webb, siamo sensibili fino a 0,5 volte la massa di Giove, e stiamo trovando significativamente meno cose man mano che si scende al di sotto di dieci volte la massa di Giove”, ha spiegato De Furio.
“Troviamo meno oggetti di cinque masse gioviane rispetto a quelli di dieci masse gioviane, e troviamo molti meno oggetti di tre masse gioviane rispetto a quelli di cinque masse gioviane. In realtà non troviamo alcun oggetto al di sotto di due o tre masse di Giove, e ci aspettiamo di vederli se sono lì, quindi stiamo ipotizzando che questo potrebbe essere il limite stesso”.
Meyer ha aggiunto: “Webb, per la prima volta, è stato in grado di sondare fino e oltre quel limite. Se questo limite è reale, non ci dovrebbero essere oggetti di una sola massa gioviana che fluttuano liberamente nella nostra galassia, la Via Lattea, a meno che non si siano formati come pianeti e poi espulsi da un sistema planetario”.
Le nane brune, data la difficoltà di trovarle, hanno una grande quantità di informazioni da fornire, in particolare nella formazione stellare e nella ricerca planetaria, date le loro somiglianze sia con le stelle che con i pianeti.
Il telescopio spaziale Hubble della NASA è stato a caccia di queste nane brune per decenni.
Anche se Hubble non è in grado di osservare le nane brune nella Nebulosa Fiamma con una massa così bassa come quella di Webb, è stato fondamentale per identificare i candidati per ulteriori studi. Questo studio è un esempio di come Webb abbia preso il testimone – decenni di dati di Hubble dall’Orion Molecular Cloud Complex – e abbia permesso una ricerca approfondita.
“È davvero difficile fare questo lavoro, guardando le nane brune fino a dieci masse di Giove, da terra, specialmente in regioni come questa. E avere i dati esistenti di Hubble negli ultimi 30 anni o giù di lì ci ha permesso di sapere che questa è una regione di formazione stellare davvero utile da raggiungere. Avevamo bisogno di Webb per poter studiare questo particolare argomento scientifico”, ha detto De Furio.
“È un salto di qualità nelle nostre capacità tra la comprensione di ciò che stava accadendo da Hubble. Webb sta davvero aprendo un regno completamente nuovo di possibilità, comprendendo questi oggetti”, ha spiegato l’astronomo Massimo Robberto dello Space Telescope Science Institute.
Questo team sta continuando a studiare la Nebulosa Fiamma, utilizzando gli strumenti spettroscopici di Webb per caratterizzare ulteriormente i diversi oggetti all’interno del suo bozzolo polveroso.
“C’è una grande sovrapposizione tra le cose che potrebbero essere pianeti e le cose che sono nane brune di massa molto, molto bassa”, ha affermato Meyer. “E questo è il nostro lavoro nei prossimi cinque anni: capire quale è quale e perché”.
Immagine: NASA, ESA, CSA, STScI, Michael Meyer (Università del Michigan), Matthew De Furio (UT Austin), Massimo Rapinatore (STScI), Alyssa Pagano (STScI)
