Da tempo i ricercatori si interrogano sulla natura delle nane brune, le stelle che non sono riuscite a diventare tali e che arrivano a pesare anche 80 volte Giove. Esse si formano dal collasso di una nube di gas, esattamente come le stelle, ma non riescono a raggiungere la massa minima per sostenere la fusione nucleare dell’Idrogeno al loro interno. Sono quindi oggetti troppo piccoli per diventare stelle e al tempo stesso troppo massicci per essere considerati pianeti.

Ora un team di ricercatori guidato da Elena Manjavacas dello Space Telescope Science Institute di Baltimora ha sfruttato il Keck Observatory delle Hawaii per osservare la nana bruna vicina 2MASS J22081363+2921215. L’ha fatto nel range di lunghezze d’onda nell’infrarosso, che consentono di scrutare più in profondità nell’atmosfera, nelle regioni più calde. Diversamente da Giove, infatti, la nana bruna è ancora così calda che risplende dall’interno, caratteristica che la rende simile a una zucca intagliata di Halloween.

A causa della presenza di strati di nubi che si spostano in superficie, la luce che proviene dall’interno dell’atmosfera varia, e queste variazioni possono essere misurate. Dai dati ottenuti nel corso di un’osservazione di 2.5 ore, i ricercatori hanno scoperto che l’atmosfera della nana bruna ha una struttura a strati con nuvole di diversa composizione a seconda dell’altitudine.

Dalle nane brune ai pianeti super-Gioviani

Interessante è la parentela tra le nane brune ed i pianeti super-Gioviani, esopianeti che pesano fino a 13 volte la massa di Giove. Entrambi i tipi di oggetti hanno temperature simili, atmosfere complesse e varie e sono estremamente massicci. L’unica differenza è che i pianeti super-Gioviani si formano intorno alle stelle, mentre le nane brune spesso nascono isolate.

Poiché non è semplice studiare nel dettaglio le atmosfere dei pianeti super-Gioviani a partire dalle loro stelle ospiti, gli astronomi sfruttano questa particolare somiglianza e studiano le atmosfere delle nane brune.

Perché proprio questa nana bruna?

Manjavacas ha scelto di studiare 2MASS J22081363+2921215 perché è molto giovane, quindi estremamente brillante, e non si è ancora raffreddata. Inoltre, ha una massa e temperatura molto simili a quelle dell’esopianeta gigante Beta Pictoris b, suo vicino, scoperto nel 2008 grazie ai dati del Very Large Telescope dell’ESO.

Sia la nana bruna che Beta Pictoris b sono giovani, quindi irradiano nella lunghezza d’onda del vicino infrarosso. Sono entrambi membri dell’Associazione di Beta Pictoris, un gruppo di stelle e altri oggetti stellari giovani che condivide la stessa origine e movimento attraverso lo spazio. Il gruppo, che ha circa 33 milioni di anni, è l’associazione stellare giovane più vicina alla Terra. Si trova a circa 115 anni luce di distanza da noi.

“Con la tecnologia attuale non abbiamo ancora la capacità di analizzare in dettaglio l’atmosfera di Beta Pictoris b” spiega Manjavacas. “Quindi, stiamo usando il nostro studio dell’atmosfera di questa nana bruna per avere un’idea di come potrebbero apparire le nuvole dell’esopianeta a diverse altezze della sua atmosfera”.

L’aiuto di MOSFIRE

Per osservare la nana bruna, Manjavacas e il suo team hanno sfruttato lo strumento MOSFIRE (Multi-Object Spectrograph for Infrared Exploration) istallato sul Keck Observatory. Nello specifico, MOSFIRE ha:

• analizzato le impronte spettrali di vari elementi chimici contenuti nelle nuvole dell’atmosfera;
• misurato la loro variazione nel tempo.

Questa è la prima volta che gli astronomi utilizzano questo strumento per lo studio della struttura atmosferica di una nana bruna. Manjacavas spiega:

L’unico modo per farlo da terra è utilizzare lo strumento MOSFIRE ad alta risoluzione, perché ci consente di osservare più stelle contemporaneamente alla nostra nana bruna. Questo ci permette di correggere la contaminazione introdotta dall’atmosfera terrestre e misurare il vero segnale dalla nana bruna con buona precisione. Queste osservazioni sono una prova che MOSFIRE può eseguire questo tipo di studi sulle atmosfere delle nane brune.

La struttura a strati dell’atmosfera delle nane brune

Le misurazioni effettuate con MOSFIRAE hanno permesso di ricostruire la struttura complessiva delle nubi nell’atmosfera della nana bruna. In questo modo sono stati messi in luce molti più dettaglio di ogni precedente osservazione di questo corpo celeste. Questo tipo di osservazioni, infatti, non è semplice a causa della contaminazione dell’atmosfera terrestre, che assorbe alcune lunghezze d’onda infrarosse.

Lo spettro finale di 2MASS J22081363+2921215 rivela nuvole composte da granelli di sabbia e altri elementi esotici:

• Lo ioduro di potassio è presente nello strato più esterno dell’atmosfera, che include anche nuvole di silicato di magnesio;
• Scendendo c’è uno strato di ioduro di sodio con altre nuvole di silicato di magnesio;
• Lo strato finale è costituito da nuvole di ossido di alluminio.

L’altezza totale dell’atmosfera è pari a 718 chilometri. Gli elementi rilevati sembrano essere componenti tipici della composizione atmosferica delle nane brune, a detta di Manjavacas.

Cosa ci aspettiamo di scoprire in futuro?

Manjavacas intende utilizzare MOSFIRE per studiare altre atmosfere di nane brune e confrontarle con quelle degli esopianeti giganti. Poi i futuri telescopi, come il James Webb Space Telescope della NASA, forniranno informazioni ancor più dettagliate sull’atmosfera di una nana bruna. E potrebbero svelare altri segreti sugli esopianeti giganti.

La ricercatrice spera anche che MOSFIRE possa essere utilizzato insieme al James Webb per campionare un’ampia gamma di nane brune. Con l’obiettivo di comprendere sempre meglio le caratteristiche delle nane brune e, insieme ad esse, dei pianeti giganti.

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