Le nane brune: stelle mancate
loading

Le nane brune: stelle mancate

La massa è il parametro più importante per una sfera di gas poiché è proprio la massa che determina l'appartenenza di un corpo celeste alla classe delle stelle, dei giganti gassosi o di oggetti intermedi chiamati nane brune. Teorizzate negli anni Sessanta, osservate per la prima volta negli anni Novanta, oggi questi corpi rivestono un ruolo molto importante nell'astrofisica moderna

Il ruolo della massa: stella o nana bruna

Al completamento della fase di accrescimento, la protostella può assumere una massa tale da innescare la fusione dell'idrogeno in elio e diventare una stella. Oppure può rimanere sotto la soglia richiesta e rimanere nana bruna

Al termine del processo di accrescimento, la protostella viene ad avere una massa definita che potrebbe consentire la trasformazione in stella oppure no.

Una protostella che non riesca a raggiungere la massa di 0.08 masse solare non riesce a creare condizioni di temperatura interna tali da riuscire a fondere l'idrogeno in elio: non si crea una stella ma ciò che resta è un oggetto a metà tra un pianeta gigante gassoso e una stella, un oggetto che viene chiamato nana bruna.

Protostelle che riescono a raggiungere una massa superiore a 0.08 masse solari, invece, avranno un peso e una densità interna sufficienti a raggiungere la temperatura necessaria alla fusione: la temperatura necessaria a fondere l'idrogeno in elio si attesta sui 10-12 milioni di gradi. 

Le nane brune sono corpi celesti la cui massa è più grande della massa di un pianeta gigante gassoso ma più piccola di quella necessaria a fondere idrogeno in elio (circa 8% della massa solare - 75% della massa gioviana). La massa minima si stima in 13 masse gioviane.

Una massa che, quindi, consente le primissime fusioni, quelle del deuterio, di breve durata. Le nane brune sono inquadrate nelle classi spettrali M, L, T e Y (una rara stella di classe T sembra essere presente nel sistema binario della Stella di Scholz).  Sono state teorizzate fin dagli anni Sessanta da Shiv Kumar, ma la prima rappresentante della categoria è stata osservata solo nel 1995, sebbene si ritenga che siano numerosissimi i corpi celesti di questa famiglia. Inizialmente si parlò di nana nera a indicare la mancanza di una luce prodotta in proprio, salvo poi passare alla dicitura planetar, a substellar e, nel 1975 grazie a Jill Tarter, a nana bruna

Individuarle non è semplice, se non sono accompagnate da altri astri in sistemi binari. In caso di sistema binario tramite velocità radiale è possibile dedurne la presenza dal moto della stella compagna, ma se la nana bruna è solitaria le probabilità aumentano negli ammassi aperti molto giovani, in cui le nane brune bruciano deuterio e possono essere osservate, a fatica, come oggetti deboli e molto arrossati. Le stelle giovani bruciano litio entro i primi cento milioni di anni di vita mentre le nane brune non riescono a bruciarlo, quindi anche rintracciare elio nell'atmosfera di un corpo celeste può essere indice di nana bruna. Non è un caso se la prima nana bruna di sicura natura sia stata trovata nelle Pleiadi a gennaio 1994, con annuncio su Nature il 14 settembre 1995. La nana venne battezzata Teide 1 e la massa venne misurata in 55 masse gioviane, con una riga del litio molto evidente, una temperatura di 2600 K. Successive osservazioni confermarono che anche il corpo celeste GD 165, scoperto fin dal 1988, fosse una nana bruna, con massa al limite per la categoria. Il 1995 ha portato anche alla scoperta di Gliese 229 B, una nana bruna con temperatura di appena 1300 K evidenziata dalla presenza della riga del metano. Ad oggi le nane brune scoperte sono migliaia. 

La nana bruna Gliese 229B, compagna della nana rossa Gliese 229A. Crediti Palomar Observatory/HST/NASA/CalTech
La nana bruna Gliese 229B, compagna della nana rossa Gliese 229A.
Crediti Palomar Observatory/HST/NASA/CalTech

 

Ultimo aggiornamento del: 27/08/2019 17:36:36

Il problema della massa delle nane brune

Benché esista un limite minimo, sotto il quale si parla di pianeta, e uno massimo, oltre il quale si parla di stella, in realtà questi confini sono ancora in via di definizione e comprendere la vera natura di un oggetto celeste non è affatto semplice

Ad oggi, l'Unione Astronomica Internazionale (IAU) fissa in 13 masse gioviane il limite massimo per la massa di un pianeta gigante gassoso, limite oltre il quale si verificherebbero fusioni del deuterio incompatibili con la qualifica di pianeta . E' vero, tuttavia, che a cavallo di questa misura il deuterio brucia in quantità diverse il che rende il limite fissato un limite del tutto teorico e arbitrario. La massa superiore di una nana bruna, invece, si attesta tra 60 e 70 masse gioviane, oltre le quali la stella incontra fusioni di idrogeno. 

Sono molti gli studi che si concentrano proprio sulla determinazione del limite di massa che separerebbe i tre oggetti. Un possibile metodo di distinzione della nana bruna da un pianeta consiste nel guardare quel che offre il panorama dell'universo e cercar di capire se, oltre a una questione di massa , si possa tirare in ballo qualcosa legato alla diversa formazione dei due corpi celesti e così la presenza di elementi pesanti viene ad assumere un ruolo importante. In particolare sono stati analizzati 146 sistemi planetari rivelando dati tanto consistenti da convincere parte degli astronomi a ritenere che la composizione chimica della stella centrale possa essere una ottima discriminante per comprendere la natura degli oggetti orbitanti. I pianeti come Giove si formano tramite un processo bottom-up, sviluppando dapprima un nucleo roccioso e poi acquisendo gas (è la teoria più accreditata, più che una certezza), quindi dovrebbero essere presenti laddove la stella venga a mostrare elementi pesanti. Le nane brune, di contro, dovrebbero nascere non come resto di formazione stellare (tutto è in discussione ancora) ma per collasso gravitazionale della nebulosa e dovrebbero essere prive di un nucleo roccioso. Il modello porta al numero discriminante di 10 masse gioviane: oltre questo limite si tratterebbe di nane brune mentre al di sotto si tratterebbe di pianeti. Si tratta della massa oltre la quale la composizione della stella cessa di avere importanza. 

Ultimo aggiornamento del: 27/09/2018 22:47:27

Il problema della formazione di una nana bruna

A metà tra un pianeta e una stella, la nana bruna risulta ad oggi un mistero per quanto riguarda la genesi: contrazione di gas come una stella oppure resto della formazione stellare come un pianeta?

Uno dei misteri più fitti di questi oggetti riguarda la formazione: trattandosi di oggetti a metà tra una stella e un pianeta ed essendo presenti nane brune in sistemi stellari ma anche nane brune isolate (come SIM0136), ci si può infatti chiedere se la genesi di questi corpi celesti possa essere assimilata a quella stellare o a quella planetaria. Gli scenari suggeriti sono diversi: 

  • collasso gravitazionale delle nubi molecolari, come le stelle ma raggiungendo masse inferiori
  • frammentazione di nuclei protostellari molto massivi a causa di instabilità o rotazione troppo veloce
  • formazione simile a quella planetaria con successiva espulsione dal sistema di appartenenza
  • formazione simile a quella stellare con espulsione dal disco prima di raggiungere la massa critica

Un articolo di Agosto 2017 a firma del JPL della NASA e pubblicato su Science ha utilizzato il telescopio orbitante Spitzer per studiare sei nane brune in termini di variazione di luminosità, analizzando le variazioni atmosferiche che fino a quel momento avevano creato un po' di imbarazzo in termini di spiegazione scientifica. Le nubi delle nane brune sono molto mutevoli in termini di velocità e spessore e sono composte quasi essenzialmente da goccioline di ferro e polvere di silicio. Lo studio ha evidenziato come a determinare le variazioni osservate possano concorrere delle gigantesche onde a larga scala, il che avvicina le nane brune alla natura atmosferica dei giganti gassosi piuttosto che a quella delle stelle. Le nubi delle nane brune sono organizzate in bande simili a quelle che possiamo osservare su Giove. Al pari di Giove, quindi, non meraviglierebbe riscontrare la presenza di ovali rappresentanti tempeste, come la Grande Macchia Rossa. Le onde atmosferiche sono l'unico processo a oggi noto per la giustificazione teorica di comportamenti così repentini: laddove le onde convergono, la nana appare più brillante in un singolo punto. Se le onde divergono ci saranno invece più punti a maggior luminosità.

E' anche vero che sembrano esistere prove dirette e indirette di dischi di accrescimento intorno a nane brune molto giovani, il che le renderebbe più assimilabili alle stelle in quanto a formazione. 

Probabilmente i metodi individuati sono tutti validi, con una varietà di casi molto ampia, tanto è vero che a Aprile 2019 un nuovo studio avvicina di nuovo la formazione di una nana bruna alla formazione dei pianeti, puntando sulla risonanza 6:1 esistente tra due nane brune in orbita intorno alla stella v Ophiuchi, mentre sempre nel 2019 ALMA ha trovato l'evidenza di una nube in collasso e di un proto-disco intorno alla proto-nana bruna Meyrit, osservazione che gioca a favore di una formazione simil-stellare.

Ultimo aggiornamento del: 22/05/2019 21:22:57

Caratteristiche: struttura, emissioni, atmosfera delle nane brune

Le nane brune sono corpi che regalano sempre sorprese e per le quali sempre più le osservazioni riescono a spuntare informazioni riguardanti atmosfera e struttura, tra ipotesi e simulazioni.

La struttura interna di una nana bruna è simile a quella delle stelle di piccola massa, quindi il calore interno raggiunge la superficie attraverso un processo di sola convezione . Soltanto nelle nane brune più antiche, con temperature interne particolarmente basse, è possibile un moto conduttivo. 

Il raggio della nana bruna dipende dalla massa e non dalla temperatura: il raggio è inversamente proporzionale alla radice cubica della massa con la conseguenza che le nane brune più massive hanno un raggio inferiore del 40% di quello delle nane di massa inferiore. 

Con l'età, le nane brune variano classe spettrale in maniera rapida: il passaggio da classe M a classe L avviene in circa cento milioni di anni appena. 

Anche le nane brune sperimentano dei flares in banda X, evidenziando quindi fenomeni magetici che sono tipici delle stelle di piccola massa e che dovrebbero essere legati alla combinazione dei moti convettivi con la rotazione stellare, in grado di provocare un attorcigliamento del campo magnetico con periodica liberazione di energia. Nelle nane brune molto giovani potrebbero esserci segni di una corona che poi viene persa con il raffreddamento, perdita che è evidenziata da lunghi periodi di assenza di qualsiasi radiazione X.

Il flare in banda X di LP 944-020 mostrato da Chandra X-Ray Observatory. Crediti Chandra/NASA
Il flare in banda X di LP 944-020 mostrato da Chandra X-Ray Observatory.
Crediti Chandra/NASA

Con l'invecchiamento e il raffreddamento, le nane brune sembrano sperimentare modifiche atmosferiche passando da cieli nuvolosi a cieli sereni e per la prima volta, a inizio 2018, è stata misurata la temperatura alla quale questo processo tende a verificarsi. Oggetto dello studio è stata la nana bruna 2MASS J13243553+6358281, una delle più vicine con massa nota di dimensione planetaria. Fa parte di un gruppo di circa 80 stelle di età e composizione simili (AB Doradus Group), con età di 150 milioni di anni. I parametri di questa nana sono stati poi confrontati con quelli della nana 2MASS J1324+6358, più evoluta e con cieli "sereni", il che ha consentito di ottenere le misurazioni della temperatura limite. A 1150 K il cielo delle nane brune con massa planetaria e con 150 milioni di anni inizia a schiarirsi.

Intorno alle nane brune sono stati osservati dei dischi protoplanetari, segno evidente che pianeti - date le dimensioni, probabilmente rocciosi - possono andare a orbitare anche corpi celesti di questo tipo. Il primo esopianeta osservato intorno a una nana bruna è datato 2005 ed è stato osservato dall'ESO intorno a 2M1207 b. Ha una massa tra 3 e 7 masse gioviane.

Ultimo aggiornamento del: 27/09/2018 23:06:58