Il meteo delle nane brune

Lo studio di questi oggetti quando sono fortemente irradiati riserva interessanti sorprese

Una coppia nana bianca/nana bruna in una rappresentazione artistica.

Le nane brune nascono in bozzoli stellari autonomi e non nei dischi protoplanetari. In altre parole, non sono dei giganti gassosi accresciutosi oltremisura, ma davvero stelle mancate. Ciononostante, le due classi di oggetti condividono alcuni caratteri, massa a parte.

Le nane brune figurano spesso in sistemi binari e condividono i destini delle loro stelle ospiti. Ad esempio, non è chiaro cosa accada alle nane brune compagne di stelle che esplodano come supernova. Sappiamo però che possono sopravvivere alla fase di gigante rossa e restano legate alle nane bianche finali, almeno in certe situazioni.

Mentre un primo convincente esempio di pianeta gigante in coppia con una nana bianca è stato scoperto di recente, già da qualche tempo sono noti esempi di sistemi formati da nane bianche e nane brune (in sigla WD-BD). Essendo le nane bianche resti di stelle di tipo solare, le compagne substellari sono di norma formate da oggetti già raffreddati di pari età. Per di più, alcuni di tali sistemi sono di tipo stretto e bloccati in rotazione con periodi che, sappiamo, essere molto corti.

È abbastanza intuitivo comprendere che tali sistemi siano anche alquanto insoliti poiché le nane bianche, pur con dimensioni comparabili al nostro pianeta, sono oggetti caldissimi e produttori di radiazione ultravioletta. In coppie strette e bloccate, l’intensa radiazione colpisce esclusivamente l’emisfero rivolto verso la nana bianca, con conseguente produzione di un punto caldo sottostellare nella loro atmosfera. L’escursione termica che ne deriva avrà certamente effetti non trascurabili sull’atmosfera e l’intera meteorologia. 

La fotometria del punto caldo, in base alla fase osservata, diventa così una ghiotta occasione per studiare l’atmosfera delle nane brune, non senza sorprese. Questo è quanto ha fatto un gruppo guidato da Yifan Zhou dell’University of Texas at Austin, presentando lo studio spettroscopico dei sistemi stretti WD-BD denominati WD 0137-349 ed EPIC 212235321 (in breve, WD 0137 ed EPIC 2122), mediante la WFC3/G141 del Telescopio Spaziale Hubble. Lo studio ha utilizzato gli spettri di fase per esplorare i modelli di circolazione atmosferica, i profili termici e le escursioni giorno/notte delle due compagne nane brune.

Entrambi gli oggetti substellari sono bloccati in rotazione su orbite strette alle loro nane bianche ospiti, con periodi inferiori a 2 ore e animate da rotazioni più veloci di quelle già rapide di Giove e Saturno. Da questa situazione ne consegue un irraggiamento stellare maggiore di quanto accada nei Giove ultra-caldi.

Le ampiezze delle loro curve di fase sono straordinariamente alte e possono essere rappresentate da combinazioni lineari dei loro spettri diurni e notturni, offrendo eccellenti dati per studiare anche le loro atmosfere. Grazie alla precisa tempistica delle misure spettroscopiche, gli astronomi hanno potuto seguire i due oggetti lungo l’intera breve orbita, rilevando per entrambe modulazioni di luminosità superiori al 10%. Tale ampiezza implica che le atmosfere subiscano importanti variazione termiche tra il lato diurno e quello notturno. Abbinando le osservazioni ai modelli dei due sistemi, quanto rilevato è interpretabile con la presenza di un punto caldo isotermico esattamente posto nel lato rivolto verso la nanna bianca.

Anche per le nane brune può essere ricavato un diagramma colore-magnitudine (CMD) come per le stelle. In questo caso, l’indice di colore è ottenuto dalla differenza tra le bande fotometriche J e H nel vicino infrarosso. Si noti come le nane brune siano oggetti relativamente luminosi in tale regione dello spettro, mentre in Visuale sono al contrario molto deboli. (Yifan Zhou et al. 2021)

Il gruppo ha così scoperto che la forma della curva di fase concorda bene con quanto prevedano le simulazioni di circolazione generale dei modelli che assumono l’equilibrio radiativo convettivo. In tali modelli, il trasferimento di calore giorno/notte è notevolmente ostacolato dalla forza di Coriolis, dovuta alla rapida rotazione delle nane brune. L’inefficiente trasporto energetico favorisce così la formazione dei punti caldi.

Poiché le nane bianche ospiti presentano spettri quasi privi di caratteristiche, è facilitata un’accurata rimozione del loro contributo spettrale. La sottrazione degli spettri ha quindi permesso di ottenere lo quello delle nane brune con varie posizioni del punto caldo rispetto alla direzione di vista. Per entrambe le nane brune, lo spettro risultante è dovuto alla combinazione di quello diurno e notturno. La modellazione accurata dell’irradiazione UV delle sorgenti di opacità e dei profili termici, è cruciale per il buon adattamento della stessa ai dati. Gli spettri misurati si adattano molto bene ai modelli atmosferici irradiati e nessun’altra situazione riproduce altrettanto bene le osservazioni.

L’illustrazione riassume i risultati dello studio sulle due nane brune in coppia stretta con caldissime nane bianche (D. Apai).

Lo spettro nel lato notte di WD 0137B è ragionevolmente ben adattato ai modelli substellari non irradiati, mentre quello di EPIC 2122B può essere invece approssimato da una funzione di Planck. WD0137B, mostra nel lato notturno l’evidente riga d’assorbimento dell’acqua, compatibile con una temperatura di 1000K, perciò è certamente una nana bruna di tipo T. Per EPIC2122B tale riga è più debole, quindi la sua temperatura notturna deve essere più alta ed è stimata in circa 1300K.

In WD0137B la transizione fotometrica giorno/notte è pressoché lineare e senza discontinuità, differendo sensibilmente da quella stabilita per le nane brune dello stesso tipo che prevedono copertura nuvolosa. Le osservazioni concordano invece con i modelli privi di formazioni nuvolose.

In sintesi, la ricerca mostra le notevoli opportunità offerte dalle binarie strette WD-BD per studiare le proprietà delle atmosfere a rotazione rapida, bloccate dalle maree e altamente irradiate. Un’interpretazione completa di questi spettri richiede nuovi modelli che uniscano la circolazione atmosferica e il trasferimento radiativo in condizioni di elevato irraggiamento.

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Informazioni su Giuseppe Donatiello 298 Articoli
Nato nel 1967, astrofilo da sempre. Interessato a tutti gli aspetti dell'astronomia, ha maturato una predilezione per il deep-sky, in particolare verso i temi riguardanti il Gruppo Locale e l'Universo Locale. Partecipa a programmi Pro-Am nello studio dei flussi stellari in galassie simili alla Via Lattea mediante tecniche di deep-imaging. Ha scoperto sei galassie nane vicine: Donatiello I (2016), Donatiello II, III e IV nel sistema di NGC 253 (2020), Pisces VII (2020) e Pegasus V (2021) nel sistema di M31. Astrofotografo e autore di centinaia di articoli, alcuni con revisione paritaria.