Le osservazioni di una nana bruna vicina suggeriscono che ha un'atmosfera screziata con nuvole sparse e misteriose macchie scure che ricordano la Grande Macchia Rossa di Giove, come mostrato nel concetto di questo artista. L'oggetto nomade, chiamato 2MASS J22081363+2921215, ricorda una zucca intagliata di Halloween, con la luce che fuoriesce dal suo caldo interno. Le nane brune sono più massicce dei pianeti ma troppo piccole per sostenere la fusione nucleare, che alimenta le stelle. Sebbene distante solo circa 115 anni luce, la nana bruna è troppo distante per poter fotografare qualsiasi caratteristica. Anziché, i ricercatori hanno utilizzato il Multi-Object Spectrograph for Infrared Exploration (MOSFIRE) presso l'Osservatorio W. M. Keck alle Hawaii per studiare i colori e le variazioni di luminosità della struttura della nuvola a strati della nana bruna, come si vede nella luce del vicino infrarosso. MOSFIRE ha anche raccolto le impronte digitali spettrali di vari elementi chimici contenuti nelle nuvole e come cambiano nel tempo. Credito:NASA, ESA, STsci, Leah Hustak (STScI).
Le nane brune sono l'equivalente cosmico delle interpolazioni. Sono troppo massicci per essere pianeti e troppo piccoli per sostenere la fusione nucleare nei loro nuclei, che alimenta le stelle. Molte nane brune sono nomadi. Non orbitano attorno alle stelle, ma vagano tra di loro come solitari.
Gli astronomi vorrebbero sapere come vengono messi insieme questi oggetti ribelli. Condividono qualche tipo di parentela con pianeti giganti gassosi come Giove? Studiare le nane brune è molto più difficile che studiare il vicino Giove per fare confronti. Possiamo inviare veicoli spaziali su Giove. Ma gli astronomi devono guardare attraverso molti anni luce per scrutare l'atmosfera di una nana bruna.
I ricercatori hanno utilizzato il gigantesco Osservatorio W.M. Keck alle Hawaii per osservare una nana bruna vicina alla luce infrarossa. A differenza di Giove, la giovane nana bruna è ancora così calda che risplende dall'interno verso l'esterno, e sembra una zucca di Halloween intagliata. Perché la nana bruna ha nuvole sparse, la luce che risplende dal profondo nell'atmosfera del nano fluttua, che i ricercatori hanno misurato. Hanno scoperto che l'atmosfera della nana ha una struttura a strati con nuvole di diversa composizione a diverse altitudini.
Giove potrebbe essere il pianeta prepotente del nostro sistema solare perché è il pianeta più massiccio. Ma in realtà è un pochino rispetto a molti dei pianeti giganti che si trovano intorno ad altre stelle.
Questi mondi alieni, chiamati super-Giove, pesare fino a 13 volte la massa di Giove. Gli astronomi hanno analizzato la composizione di alcuni di questi mostri. Ma è stato difficile studiare in dettaglio le loro atmosfere perché questi giganti gassosi si perdono nel bagliore delle loro stelle madri.
Ricercatori, però, avere un sostituto:le atmosfere delle nane brune, le cosiddette stelle fallite che sono fino a 80 volte la massa di Giove. Questi oggetti pesanti si formano da una nuvola di gas collassante, come fanno le stelle, ma mancano della massa per diventare abbastanza calda da sostenere la fusione nucleare nei loro nuclei, che alimenta le stelle.
Anziché, le nane brune condividono una parentela con i super-Giove. Entrambi i tipi di oggetti hanno temperature simili e sono estremamente massicci. Hanno anche complessi, atmosfere variegate. L'unica differenza, gli astronomi pensano, è il loro pedigree. I super-Giove si formano intorno alle stelle; le nane brune si formano spesso in isolamento.
Un team di astronomi, guidato da Elena Manjavacas dello Space Telescope Science Institute di Baltimora, Maryland, ha testato un nuovo modo di sbirciare attraverso gli strati di nuvole di questi oggetti nomadi. I ricercatori hanno utilizzato uno strumento presso l'Osservatorio W. M. Keck alle Hawaii per studiare alla luce del vicino infrarosso i colori e le variazioni di luminosità della struttura della nuvola a strati nelle vicinanze, nana bruna fluttuante nota come 2MASS J22081363+2921215.
Lo strumento dell'Osservatorio Keck, chiamato spettrografo multioggetto per l'esplorazione dell'infrarosso (MOSFIRE), ha anche analizzato le impronte spettrali di vari elementi chimici contenuti nelle nuvole e come cambiano nel tempo. Questa è la prima volta che gli astronomi utilizzano lo strumento MOSFIRE in questo tipo di studio.
Queste misurazioni hanno offerto a Manjavacas una visione olistica delle nuvole atmosferiche della nana bruna, fornendo maggiori dettagli rispetto alle precedenti osservazioni di questo oggetto. Pioniere delle osservazioni di Hubble, questa tecnica è difficile da realizzare per i telescopi terrestri a causa della contaminazione dall'atmosfera terrestre, che assorbe determinate lunghezze d'onda infrarosse. Questo tasso di assorbimento cambia a causa del tempo.
"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, " Ha spiegato Manjavacas. "Questo ci permette di correggere la contaminazione introdotta dall'atmosfera terrestre e misurare il vero segnale dalla nana bruna con buona precisione. Così, queste osservazioni sono una prova del concetto che MOSFIRE può fare questo tipo di studi sulle atmosfere delle nane brune".
Manjavacas presenterà i suoi risultati il 9 giugno in una conferenza stampa al meeting virtuale dell'American Astronomical Society.
Il ricercatore ha deciso di studiare questa particolare nana bruna perché è molto giovane e quindi estremamente brillante e non si è ancora raffreddata. La sua massa e la sua temperatura sono simili a quelle del vicino esopianeta gigante Beta Pictoris b, scoperte nel 2008 immagini nel vicino infrarosso scattate dal Very Large Telescope dell'Osservatorio europeo meridionale nel nord del Cile.
"Non abbiamo ancora la capacità con la tecnologia attuale di analizzare in dettaglio l'atmosfera di Beta Pictoris b, " Disse Manjavacas. "Allora, stiamo usando il nostro studio dell'atmosfera di questa nana bruna come proxy per avere un'idea di come potrebbero apparire le nuvole dell'esopianeta a diverse altezze della sua atmosfera".
Questo grafico mostra strati successivi di nuvole nell'atmosfera di un vicino, nana bruna fluttuante. Le interruzioni negli strati superiori delle nuvole hanno permesso agli astronomi di sondare più in profondità l'atmosfera della nana bruna chiamata 2MASS J22081363+2921215. Le nane brune sono più massicce dei pianeti ma troppo piccole per sostenere la fusione nucleare, che alimenta le stelle. Questa illustrazione si basa su osservazioni a infrarossi dei colori delle nuvole e delle variazioni di luminosità, così come le impronte spettrali di vari elementi chimici contenuti nelle nuvole e la modellazione atmosferica. Credito:NASA, ESA, STsci, Andi James (STScI)
Sia la nana bruna che la Beta Pictoris b sono giovani, quindi irradiano forte calore nel vicino infrarosso. Sono entrambi membri di uno stormo di stelle e oggetti substellari chiamato gruppo in movimento Beta Pictoris, che condivide la stessa origine e un comune moto nello spazio. Il gruppo, che ha circa 33 milioni di anni, è il raggruppamento di giovani stelle più vicino alla Terra. Si trova a circa 115 anni luce di distanza.
Mentre sono più fighi delle stelle in buona fede, le nane brune sono ancora estremamente calde. La nana bruna nello studio di Manjavacas è un 2 frizzante, 780 gradi Fahrenheit (1, 527 gradi Celsius).
L'oggetto gigante è circa 12 volte più pesante di Giove. Come un giovane corpo, sta girando incredibilmente veloce, completando una rotazione ogni 3,5 ore, rispetto al periodo di rotazione di 10 ore di Giove. Così, le nuvole lo frustano, creare una dinamica, atmosfera turbolenta.
Lo strumento MOSFIRE dell'Osservatorio Keck ha fissato la nana bruna per 2,5 ore, osservando come la luce che filtra attraverso l'atmosfera dall'interno caldo del nano si illumina e si attenua nel tempo. I punti luminosi che appaiono sull'oggetto rotante indicano le regioni in cui i ricercatori possono vedere più in profondità nell'atmosfera, dove fa più caldo. Le lunghezze d'onda infrarosse consentono agli astronomi di scrutare più in profondità nell'atmosfera. Le osservazioni suggeriscono che la nana bruna ha un'atmosfera screziata con nuvole sparse. Se visto da vicino, potrebbe assomigliare a una zucca intagliata di Halloween, con la luce che fuoriesce dal suo caldo interno.
Il suo spettro rivela nuvole di granelli di sabbia calda e altri elementi esotici. Lo ioduro di potassio traccia l'atmosfera superiore dell'oggetto, che include anche nuvole di silicato di magnesio. Scendendo nell'atmosfera c'è uno strato di ioduro di sodio e nuvole di silicato di magnesio. Lo strato finale è costituito da nuvole di ossido di alluminio. La profondità totale dell'atmosfera è di 446 miglia (718 chilometri). Gli elementi rilevati rappresentano una parte tipica della composizione delle atmosfere delle nane brune, ha detto Manjavacas.
La ricercatrice e il suo team hanno utilizzato modelli computerizzati delle atmosfere delle nane brune per determinare la posizione dei composti chimici in ogni strato di nubi.
Il piano di Manjavacas è di utilizzare il MOSFIRE dell'Osservatorio Keck per studiare altre atmosfere delle nane brune e confrontarle con quelle dei giganti gassosi. Telescopi futuri come il James Webb Space Telescope della NASA, un osservatorio a infrarossi il cui lancio è previsto entro la fine dell'anno, fornirà ancora più informazioni sull'atmosfera di una nana bruna. "JWST ci darà la struttura dell'intera atmosfera, fornendo una copertura maggiore di qualsiasi altro telescopio, " Ha detto Manjavacas.
Il ricercatore spera che MOSFIRE possa essere utilizzato in tandem con JWST per campionare un'ampia gamma di nane brune. L'obiettivo è una migliore comprensione delle nane brune e dei pianeti giganti.
