La struttura a strati di una nana bruna fluttuante

Il metodo di indagine permetterà di studiare le atmosfere dei pianeti giganti

Spesso ci riferiamo a Giove come il gigante gassoso del Sistema solare. Per i parametri umani è certamente un corpo celeste imponente, tuttavia anche tra i pianeti è un peso leggero, poiché il limite superiore per tale classe di oggetti è 13 volte la sua massa.

Tra 13 e 80 volte entriamo nel dominio delle nane brune, spesso indicate come “stelle mancate”, perché non hanno accumulato abbastanza materia da sostenere la fusione dell’idrogeno: troppo per essere un pianeta e poco per essere una stella. Forse per questa natura ambigua, il pubblico sembra trascurare le nane brune eppure sono corpi celesti di estremo interesse, il cui numero deve essere presumibilmente dello stesso ordine delle deboli stelle nane rosse, quindi in gran numero in tutta la Galassia.

Eppure, c’è un aspetto che sembra essere una prerogativa delle stelle mancate: una grossa percentuale di esse si muove nello spazio in totale autonomia senza alcun legame con stelle vere e proprie. Questo vuol dire che le nane brune, a differenza dei pianeti, hanno una storia di formazione propria, alquanto comune nei processi di formazione stellare, non ancora del tutto chiara.

Pur essendo più massicce dei pianeti gassosi, le nane brune non sono dei veri giganti poiché non superano, per un gioco di equilibri, per circa il 25% le dimensioni di Giove. Sono invece calde all’interno e in certe condizioni sostengono per un breve periodo anche le reazioni del deuterio e del litio. Questi episodi sono i classici fuochi di paglia, giacché sono destinati a esaurirsi in breve tempo, cui segue un lento ma inesorabile raffreddamento. In base alla temperatura esibita, le nane brune vengono suddivise in classi che, in qualche modo, sono indicative della loro età.

Il progressivo raffreddamento comporta la produzione di nubi e una fenomenologia simile a quella esibita da Giove o, più correttamente, i super-Giove con cui condividono alcune caratteristiche. Entrambi i tipi di oggetti hanno temperature simili con atmosfere complesse e varie. L’unica differenza, secondo gli astronomi, è nelle loro origini poiché i super-Giove nascono intorno alle stelle mentre le nane brune sono di origine autonoma.

L’interno degli oggetti substellari, anche dopo molto tempo, rimane caldo a sufficienza per permettere osservazioni degli strati nuvolosi sommitali in controluce. Questo è quello che ha fatto un gruppo di astronomi, guidato da Elena Manjavacas dello Space Telescope Science Institute di Baltimora, osservando la nana bruna vicina 2MASS J22081363+2921215 con il WM Keck alle Hawaii.

Con questo strumento sono state osservate le fluttuazioni luminose modulate dalle variazioni nuvolose negli strati più esterni sino a descriverne la struttura e composizione verticale a varie altitudini, almeno a verosimili grandi linee.

2MASS J22081363+2921215 è una nana bruna fluttuante (aggettivo con cui vengono indicati gli oggetti che si muovono nello spazio autonomamente senza alcun legame ad altri oggetti o stelle) osservata attraverso il Multi-Object Spectrograph for Infrared Exploration (Mosfire) del Keck, per analizzare le impronte spettrali di vari elementi chimici contenuti nelle sue mutevoli nuvole sommitali. Questa è stata la prima volta che lo strumento Mosfire è stato impiegato per tale tipo di ricerche.

È bene specificare che gli astronomi non hanno visto direttamente le nuvole, giacché impossibili da risolvere anche dal Telescopio Spaziale Hubble, bensì ne hanno derivato le caratteristiche da un’osservazione d’insieme del flusso registrato dall’oggetto, di aspetto puntiforme. La radiazione interna della nana bruna può essere considerata infatti costante, quindi quella che emerge attraverso le nuvole è modulata dalla loro presenza e dimensione.

In concreto, lo strumento ne ha misurato le tenuissime variazioni luminose con una tecnica molto simile all’osservazione dei transiti planetari. Questo metodo d’indagine è stato utilizzato la prima volta osservando con Hubble ed è molto difficile da mettere in pratica dal suolo per via della contaminazione e gli assorbimenti introdotti dall’atmosfera terrestre nella regione infrarossa dello spettro. Mosfire permette di aggirare tale limitazione perché può osservare un campo più ampio rispetto a HST e consente di utilizzare le altre sorgenti per la calibrazione, escludendo le fonti di contaminazione con buona precisione.

2MASS J22081363+2921215 è stata scelta per questo esperimento perché è un oggetto giovane di appena 33 milioni di anni, la cui emissione termica può essere determinata con molta precisione (1527 °C). Si trova a 115 anni luce di distanza e appartiene a un gruppo di giovani stelle in movimento comune, tra cui la stella Beta Pictoris che sappiamo dal 2008 essere accompagnata da un pianeta gigante. La massa della nana bruna è circa di 12 masse gioviane e compie una rotazione completa in circa 3,5 ore. La sua massa la pone infatti in bilico con quella di un pianeta gigante, proprio come Beta Pictoris b e si pensa che debba essere sferzata da venti poderosi lungo fasce equatoriali.

La struttura verticale degli strati nuvolosi rivelati nella giovane nana bruna 2MASS J22081363+2921215 distante 115 anni luce.

Mosfire ha osservato la nana bruna per 2,5 ore, misurando le tenui fluttuazioni dell’emissione proveniente dagli strati più interni. I punti caldi che apparivano e scomparivano nel tempo erano rappresentativi della sua coltre di nubi, così come l’emissione infrarossa a diverse lunghezze d’onda permette di sondare in profondità l’interno dell’oggetto.

Al contempo, l’analisi spettrale permette di determinare la composizione delle strutture. Nelle nubi sono presenti particelle di polveri calde ed elementi esotici. Nelle nubi sommitali sono presenti lo ioduro di potassio e silicati di magnesio. Nello strato sottostante trovano posto nubi di ioduro di sodio. In quello inferiore sono state invece osservate nubi di ossido di alluminio. Utilizzando dei modelli matematici, il team di astronomi ha determinato uno spessore totale che è stato calcolato in 718 km.

Adesso che il metodo è stato perfezionato, potrà essere esteso per l’osservazione di altri oggetti sub-stellari, ricorrendo ai nuovi Osservatori al suolo e nello spazio di imminente debutto.

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