Questo collage di immagini della Nebulosa Fiamma mostra una vista in luce vicino all’infrarosso dal Telescopio Spaziale Hubble della NASA a sinistra, mentre i due riquadri a destra mostrano la vista vicino all’infrarosso presa dal Telescopio Spaziale James Webb della NASA. Il Telescopio Spaziale James Webb (JWST) ha sondato in profondità nel velo polveroso di una giovane nebulosa illuminata dalla formazione stellare alla ricerca di nane brune, “stelle fallite”. Le nane brune sono oggetti stellari che nascono come stelle ma non riescono a raccogliere abbastanza materia per raggiungere le masse necessarie a innescare la fusione dell’idrogeno in elio nei loro nuclei. Questi corpi con masse tra 13 e 75 volte la massa di Giove (o dall’1,3% al 7,5% della massa del Sole) sono quindi molto più deboli delle stelle della sequenza principale, nonostante in essi avvenga una certa fusione nucleare. Le nane brune sono più calde e luminose nella loro giovinezza, il che le rende più facili da individuare in una giovane nebulosa come la Nebulosa Fiamma, che ha circa 1 milione di anni (se sembra antica, considera che il nostro sistema solare di mezza età ha 4,6 miliardi di anni). Il JWST è stato in grado di penetrare il gas denso e la polvere che oscurano la Nebulosa Fiamma per cercare il suo limite di massa più basso di nane brune. La ricerca ha rivelato oggetti liberi fluttuanti con una massa approssimativa di due o tre volte quella di Giove. Per “liberi fluttuanti”, gli astronomi intendono oggetti che non orbitano attorno a una stella madre. Questi potrebbero essere frammenti stellari che stanno per diventare nane brune. “L’obiettivo di questo progetto era esplorare il limite fondamentale di bassa massa del processo di formazione delle stelle e delle nane brune,” ha detto il leader del team Matthew De Furio dell’Università del Texas ad Austin in una dichiarazione. “Con il JWST, siamo in grado di sondare gli oggetti più deboli e di massa più bassa.” Il JWST ha cercato corpi di massa planetaria liberi fluttuanti con masse di almeno circa la metà di quella di Giove. Questo è stato stabilito da un processo chiamato “frammentazione” che vede grandi nubi dense di gas e polvere, le cosiddette ”nubi molecolari”, rompersi e condensarsi per formare stelle e nane brune. La frammentazione dipende fortemente dall’equilibrio tra temperatura, pressione termica e gravità, oltre ad altri fattori leggermente meno critici. Man mano che i frammenti di nubi molecolari si contraggono sotto la propria gravità, i loro nuclei aumentano di temperatura. Un nucleo con massa sufficiente diventa una protostella che inizierà la fusione dell’idrogeno. Questo porta a un’energia verso l’esterno che bilancia la spinta verso l’interno della gravità e arresta il collasso. L’oggetto stabilizzato è ora una stella della sequenza principale che fonde idrogeno in elio nel suo nucleo. Tuttavia, se un nucleo non è abbastanza denso e caldo da avviare la fusione dell’idrogeno, non c’è nulla che bilanci la gravità, e il collasso continua senza sosta. Questi frammenti falliti continuano a irradiare calore, essenzialmente una “proto-nana bruna”. “Il raffreddamento di queste nubi è importante perché se hai abbastanza energia interna, combatterà quella gravità,” ha detto il membro del team Michael Meyer dell’Università del Michigan. “Se le nubi si raffreddano in modo efficiente, si contraggono e si rompono.” La frammentazione cessa quando il gas di un frammento è abbastanza denso da diventare opaco. Questo significa che può riassorbire la propria radiazione, impedendogli di raffreddarsi e arrestando il suo collasso. Il limite di massa inferiore di questi frammenti è stato teorizzato tra 1 e 10 volte la massa di Giove. Questi risultati potrebbero ridurre quel range di massa. “Come trovato in molti studi precedenti, man mano che si va verso masse più basse, si ottengono effettivamente più oggetti fino a circa dieci volte la massa di Giove. Nel nostro studio con il JWST, siamo sensibili fino a 0,5 volte la massa di Giove, e stiamo trovando significativamente meno oggetti man mano che si scende sotto le dieci volte la massa di Giove,” ha detto De Furio. “Troviamo meno oggetti di cinque masse gioviane rispetto a quelli di dieci masse gioviane, e troviamo molti meno oggetti di tre masse gioviane rispetto a quelli di cinque masse gioviane. Non troviamo davvero nessun oggetto sotto le due o tre masse gioviane, e ci aspettiamo di vederli se ci sono, quindi ipotizziamo che questo potrebbe essere il limite stesso.” Meyer ha aggiunto che con il JWST, gli astronomi sono stati in grado per la prima volta di sondare fino al limite di massa delle nane brune e oltre. “Se quel limite è reale,” ha continuato Meyer, “non dovrebbero esserci oggetti di una massa gioviana liberi fluttuanti nella nostra galassia della Via Lattea, a meno che non si siano formati come pianeti e poi espulsi da un sistema planetario.” Ripensare le stelle falliteLa debolezza delle nane brune le rende difficili da individuare, ma questo sforzo vale la pena poiché queste stelle fallite possono fornire una ricchezza di informazioni sulla formazione stellare e sulle differenze e somiglianze tra stelle e pianeti. Questo studio del JWST si basa su ricerche precedenti del Telescopio Spaziale Hubble, che non era abbastanza sensibile per studiare nane brune di così bassa massa nella Nebulosa Fiamma ma era in grado di identificare obiettivi principali per ulteriori indagini. “È davvero difficile fare questo lavoro, osservando nane brune fino a dieci masse gioviane, dal suolo, specialmente in regioni come questa,” ha detto De Furio. “E avere dati esistenti di Hubble negli ultimi 30 anni circa ci ha permesso di sapere che questa è una regione di formazione stellare davvero utile da mirare. Avevamo bisogno del JWST per poter studiare questo particolare argomento scientifico.” L’astronomo Massimo Robberto dello Space Telescope Science Institute ha descritto il passaggio del testimone da Hubble al JWST come un “salto quantico” nella capacità degli astronomi di comprendere la natura delle nane brune. Il team continuerà ora a studiare la Nebulosa Fiamma utilizzando il JWST, cercando oggetti nascosti nel suo denso velo polveroso. “C’è una grande sovrapposizione tra le cose che potrebbero essere pianeti e le cose che sono nane brune di massa molto, molto bassa,” ha concluso Meyer. “E questo è il nostro compito nei prossimi cinque anni: capire quale è quale e perché.” La ricerca del team è stata accettata per la pubblicazione in The Astrophysical Journal Letters.
Il telescopio spaziale James Webb indaga sulle origini delle ‘stelle fallite’ nella Nebulosa Fiamma
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