Esta imagen del instrumento NIRCam (Cámara de Infrarrojo Cercano) del Telescopio Espacial James Webb de la NASA muestra la porción central del cúmulo de estrellas IC 348. Las tenues cortinas que cubren la imagen son material interestelar que refleja la luz de las estrellas del cúmulo, lo que se conoce como nebulosa de reflexión. Los hidrocarburos aromáticos policíclicos, también conocidos como PAH, son moléculas que contienen carbono en el material. Las estrellas más masivas del cúmulo, un par de estrellas de tipo B en un sistema binario, son la estrella brillante más cercana al centro del cuadro. Los vientos de estas estrellas pueden ayudar a crear el gran bucle que se ve en el lado derecho del campo de visión. Crédito de la imagen: NASA, ESA, CSA, STScI, Kevin Luhman (PSU), Catarina Alves de Oliveira (ESA)
El descubrimiento ayuda a responder la pregunta: ¿Qué tan pequeñas pueden ser las estrellas cuando se forman?
A las enanas marrones a veces se las llama estrellas fallidas, debido a que se forman como estrellas por colapso gravitacional. Sin embargo, nunca ganan suficiente masa para iniciar una fusión nuclear.
Las enanas marrones más pequeñas pueden superponerse a los planetas gigantes en masa. Los astrónomos han descubierto el nuevo poseedor del récord de la enana marrón más pequeña al ser observada por el telescopio espacial James Webb. Se trata de un objeto que pesa solo tres o cuatro veces la masa de Júpiter.
Según sus masas, las enanas marrones son objetos que se encuentran catalogados entre los planetas gigantes gaseosos más pesados y las estrellas más ligeras. Se forman como estrellas y se vuelven lo suficientemente densas como para colapsar bajo su propia gravedad, pero nunca se vuelven lo suficientemente calientes ni densas como para comenzar a fusionar hidrógeno y convertirse en una estrella. En la parte inferior de la escala, hay algunas enanas marrones que se asemejan a planetas gigantes y tienen una masa menor que la de Júpiter.
Los astrónomos están tratando de descubrir el objeto más pequeño capaz de formar una estrella. Un equipo utilizando el telescopio espacial James Webb de la NASA ha identificado al nuevo poseedor del récord: una pequeña enana marrón que flota libremente y tiene solo tres o cuatro veces la masa de Júpiter.
¿Cuáles son las estrellas más pequeñas? Esta es una pregunta básica que encontrarás en todos los libros de texto de astronomía. El autor principal Kevin Luhman de la Universidad Estatal de Pensilvania explicó: «Eso es lo que estamos tratando de responder».
Estrategia para su búsqueda.
Luhman y su colega Catarina Alves de Oliveira decidieron investigar el cúmulo estelar IC 348, que se encuentra a unos 1.000 años luz de distancia, en la región de formación estelar de Perseo, para encontrar esta enana marrón recién descubierta. Este grupo tiene solo aproximadamente 5 millones de años. Como resultado, el calor producido por su formación hace que cualquier enana marrón permanezca relativamente brillante en luz infrarroja.
Para identificar candidatas a enanas marrones por su brillo y colores, el equipo primero tomó imágenes del centro del cúmulo con la NIRCam (cámara de infrarrojo cercano) de Webb. Usaron el conjunto de microobturadores NIRSpec (espectrógrafo de infrarrojo cercano) de Webb para rastrear los objetivos más prometedores.
La importancia de la sensibilidad infrarroja de Webb radica en que permitió al equipo detectar objetos más débiles que los telescopios utilizados en la Tierra. También pudieron identificar qué objetos rojos eran enanas marrones puntuales y cuáles eran galaxias de fondo con burbujas gracias a la aguda visión de Webb.
El proceso de selección resultó en tres objetivos fascinantes que pesan entre tres y ocho masas de Júpiter y tienen temperaturas en su superficie que van de 1.500 a 2.800 grados Fahrenheit (830 a 1.500 grados Celsius). Los modelos informáticos indican que el más pequeño de ellos pesa solo tres o cuatro veces más que Júpiter.
Es un desafío teórico explicar cómo se pudo formar una enana marrón tan pequeña. Una estrella se forma cuando una nube de gas pesada y densa tiene la gravedad suficiente para colapsar. Sin embargo, debería ser más difícil que una nube pequeña colapse para formar una enana marrón debido a su gravedad más débil, y esto es aplicable para las enanas marrones con masas de planetas gigantes.
Catarina Alves de Oliveira, investigadora principal del programa de observación de la ESA (Agencia Espacial Europea), afirmó «Para los modelos actuales es bastante fácil formar planetas gigantes en un disco alrededor de una estrella». “Pero en este cúmulo, sería poco probable que este objeto se formara en un disco, sino que se formara como una estrella, y Júpiter tiene tres masas y es 300 veces más pequeño que nuestro Sol. Entonces tenemos que preguntarnos, ¿cómo opera el proceso de formación de estrellas con masas tan o muy pequeñas?”
Una molécula misteriosa.
Las diminutas enanas marrones pueden ayudar a los astrónomos a comprender mejor los exoplanetas, además de dar pistas sobre el proceso de formación de estrellas. Se espera que las enanas marrones menos masivas y los exoplanetas más grandes compartan características porque se superponen. Sin embargo, es más sencillo estudiar una enana marrón que flota libremente que un exoplaneta gigante porque este último está oculto detrás del brillo de su estrella anfitriona.
Una molécula misteriosa.
Durante este estudio, dos de las enanas marrones identificadas muestran la firma espectral de un hidrocarburo no identificado, o una molécula que contiene átomos de hidrógeno y carbono. La misión Cassini de la NASA encontró la misma firma infrarroja en las atmósferas de Saturno y su luna Titán. Ha sido observado también en el medio interestelar, también conocido como gas entre estrellas.
Alves de Oliveira explicó: «Es la primera vez que detectamos esta molécula en la atmósfera de un objeto fuera de nuestro sistema solar». Los modelos de atmósfera de enanas marrones no predicen su existencia. Estamos viendo algo nuevo e inesperado: objetos con edades más jóvenes y masas más bajas que nunca antes.
¿Enana marrón o planeta rebelde?
La pregunta de si en realidad son enanas marrones o si realmente son planetas rebeldes que fueron expulsados de sistemas planetarios surge porque los objetos están dentro del rango de masas de los planetas gigantes. Si bien el equipo no puede descartar esto último, argumentan que es mucho más probable que sean una enana marrón que un planeta expulsado.
Es improbable que un planeta gigante sea expulsado por dos motivos. Primero, estos planetas son poco comunes en general en comparación con planetas con masas más pequeñas. En segundo lugar, la mayoría de las estrellas son de baja masa, y es poco común encontrar planetas gigantes entre ellas. Como resultado, es poco probable que la mayoría de las estrellas en IC 348 (que son estrellas de baja masa) puedan producir planetas tan masivos. Además, dado que el cúmulo tiene solo 5 millones de años, es probable que no haya tenido suficiente tiempo para la formación de planetas gigantes y su posterior expulsión de sus sistemas.
El descubrimiento de más objetos de este tipo ayudará a aclarar su estado.
Un estudio futuro más amplio puede detectar objetos más débiles y más pequeños. Se esperaba que el breve estudio realizado por el equipo detectara objetos tan pequeños como el doble de la masa de Júpiter. Estudios más largos podrían alcanzar fácilmente una masa de Júpiter.
Estas observaciones se tomaron como parte del programa 1229 Time Observation program. Los resultados fueron publicados en el Astronomical Journal.
REFERENCIAS
GTO 1229 – The Physics of Brown Dwarfs – Part #2: https://www.stsci.edu/jwst/science-execution/program-information?id=1229
A JWST Survey for Planetary Mass Brown Dwarfs in IC 348: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ad00b7
