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Né stelle né pianeti: le nane brune

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Dan Caselden si è alzato tardi il 3 novembre 2018, giocando al videogioco Counter-Strike, quando ha fatto la storia dell’astronomia. Ogni volta che moriva, saltava sul suo laptop per controllare una ricerca automatizzata che stava eseguendo delle immagini del telescopio spaziale della NASA.

Improvvisamente, nelle prime ore del mattino, è apparso qualcosa di strano. “È stato molto confuso“, ha detto Caselden. “Si stava muovendo più velocemente di qualsiasi cosa io abbia scoperto. Era debole e veloce, il che lo rendeva molto strano“.

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Caselden ha inviato un’e-mail agli astronomi con cui stava lavorando nell’ambito del progetto Backyard Worlds: Planet 9. Una volta esclusa la possibilità che si trattasse di un artefatto dell’immagine, si sono resi conto che stavano guardando qualcosa di completamente insolito, un oggetto estremamente debole a 50 anni luce di distanza che brillava attraverso la galassia a 200 chilometri al secondo. Gli fu dato il nome WISE 1534-1043, ma in virtù delle sue caratteristiche singolari e del casuale ritrovamento, si guadagnò presto il soprannome di “The Accident“.

Gli astronomi ora pensano che Caselden abbia trovato una nana bruna, una stella fallita che non ha la massa necessaria per iniziare la fusione nucleare nel suo nucleo. “Si forma come una stella“, ha detto Sarah Casewell, un’astronoma dell’Università di Leicester nel Regno Unito, “Tuttavia, non guadagna mai abbastanza massa per fondere l’idrogeno in elio e iniziare a bruciare qualsiasi cosa“.

La scoperta ha evidenziato come abbiamo ancora molto da imparare sulle nane brune.

Questi oggetti vanno da una massa stimata di 13 volte quella di Giove a 75 volte o più, ma esattamente dove si trovano questi due confini è un dilemma in corso. “La gente discute continuamente su questo nelle conferenze“, ha detto Beth Biller, un’astronoma dell’Università di Edimburgo nel Regno Unito, “in particolare sul limite inferiore“.

Mentre 13 masse di Giove sono all’incirca la massa alla quale può avvenire la fusione del deuterio – la caratteristica che differenzia le nane brune dai pianeti giganti gassosi – il confine può variare.

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Le nane brune variano notevolmente anche in termini di temperatura. Le più calde hanno temperature superficiali di circa 2.000 gradi Celsius – “circa quella di una fiamma di candela“, ha detto Biller. Le più fredde sono sotto i 200 gradi.

Poiché non hanno una propria fonte di calore, le nane brune si raffreddano gradualmente nel corso di miliardi di anni a queste temperature più basse.

Le subnane, che sfocano ulteriormente il confine tra i pianeti e le nane brune, possono essere ancora più fredde. Un oggetto chiamato WISE 0855-0714 è sotto lo zero. “È l’oggetto più freddo che conosciamo al di fuori del nostro sistema solare“, ha detto Biller.

Hanno anche atmosfere, e quelle atmosfere possono mostrare una sorta di bande e tempeste simili a punti, come su Giove.

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L’anno scorso, Biller e i suoi colleghi hanno usato queste tempeste per misurare la velocità del vento su una nana bruna a circa 34 anni luce di distanza.

Per prima cosa hanno osservato le caratteristiche della sua atmosfera entrare e uscire dalla vista mentre ruotavano, quindi hanno confrontato questa velocità con una misurazione della velocità di rotazione interna dell’oggetto ricavata dal suo campo magnetico. Confrontando i due valori, i ricercatori hanno calcolato una velocità del vento di oltre 2.300 chilometri all’ora, più di cinque volte quella dei venti di Giove.

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Poiché le nane brune colmano il divario tra stelle e pianeti, possono aiutarci a capire entrambi. All’estremità superiore della scala di massa, il confine tra le nane brune più grandi e le stelle più piccole può darci un’idea di come inizia la fusione nucleare.

Un oggetto deve raggiungere temperature di circa 3 milioni di gradi Celsius nel suo nucleo per avviare la fusione nucleare, ha affermato Nolan Grieves dell’Università di Ginevra in Svizzera; questo innesca una reazione a catena che trasforma l’idrogeno in elio.

Ma nessuno è esattamente sicuro di quanta massa sia necessaria perché ciò accada, e a che punto una nana bruna diventa una stella. “Ci sono molti aspetti dell’evoluzione stellare su cui la nostra conoscenza è ancora piuttosto incerta“, ha detto Biller. “Dove si trova esattamente quel limite di fusione è una di quelle domande“.

Un recente lavoro condotto da Grieves ha identificato cinque nane brune di grande massa con masse comprese tra 77 e 98 volte quella di Giove. “Sono proprio sul confine dove inizia la fusione dell’idrogeno“, ha detto Grieves.

Al momento, tuttavia, non è chiaro su quale lato del confine si trovino effettivamente questi cinque oggetti. “Non conosciamo la vera natura di questi oggetti“, ha detto Grieves, “perché sono così vicini a questo limite“.

Alcune nane brune possono anche essere così simili a stelle da poter ospitare i propri pianeti.

Sappiamo di alcuni sistemi di nane brune che sembrano avere dischi protoplanetari intorno a loro“, ha detto Kirkpatrick. “E ci sono tutte le indicazioni che probabilmente ci sono anche nane brune che hanno i loro pianeti extrasolari in orbita intorno a loro. Un Santo Graal sarebbe trovare una nana bruna con un esopianeta in transito”.

All’estremità opposta della scala di massa delle nane brune si trova The Accident. È un oggetto estremamente piccolo, freddo e debole – “al limite delle nostre capacità di rilevamento“, ha detto Kirkpatrick.

Gli astronomi sono ansiosi di capire quale sia la differenza tra una nana bruna di piccola massa e un pianeta gigante gassoso di grande massa.

The Accident sembra anche essere fatto di cose strane. Con l’invecchiamento dell’universo, le supernove emettono molti elementi più pesanti come il carbonio e l’ossigeno, quelli che gli astronomi chiamano “metalli”. Per questo motivo, i vecchi oggetti che si sono formati all’inizio della storia dell’universo tendono ad avere pochi metalli, mentre i nuovi oggetti ne hanno di più.

Eppure, nonostante sia stato trovato nel nostro quartiere solare locale – sede principalmente di giovani stelle ricche di metalli – The Accident sembra essere povero di metalli.

Pensiamo che questa sia probabilmente una nana bruna più vecchia, probabilmente creata prima che la Via Lattea guadagnasse la ricchezza di metalli che ha ora“, ha detto Kirkpatrick.

Casewell ha aggiunto che probabilmente era “una delle prime nane brune formate” nella nostra galassia, originata dall’alone galattico esterno che circonda la Via Lattea e poi migrata verso l’interno.

Come per tanti altri fenomeni nel nostro universo, la scoperta evidenzia che questi oggetti sconcertanti ma misteriosi hanno tutti i tipi di sapori, e inserirli in categorie rigidamente definite non è un compito semplice.

Caselden, nel frattempo, spera di poter contribuire maggiormente al campo in futuro, magari puntando su oggetti simili ora che sa cosa cercare.

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