Questo articolo è stato inserito nella sezione d'archivio "Dall'atomo alle galassie".

Merita, prima di riportare l’interessante risultato trovato recentemente analizzando la distribuzione delle nane brune a noi vicine, capire un po’ meglio la nascita di queste strane creature che hanno le dimensioni di Giove, ma una massa notevolmente più grande, anche se non sufficiente a farle diventare stelle.

Faremo una descrizione molto generica, anche se vi sono diverse sottospecie di nane brune e molto sulla loro origine ed evoluzione rimane abbastanza oscuro (un po’ come loro che possono essere viste solo nell'infrarosso a causa della bassa temperatura).

Una nana bruna dovrebbe nascere come una stella normale, attraverso il collasso di nubi di gas e polvere. Queste nubi sono composte principalmente da idrogeno ed elio, ma contengono anche piccole quantità di deuterio e litio, i residui di tutto ciò che si era riuscito a formare pochi minuti dopo il Big Bang (una spiegazione approfondita di come nasce una stella la trovate QUI)

Al pari delle stelle, anche le nane brune si contraggono costringendo il loro nucleo a diventare sempre più caldo e denso. Il deuterio è il primo elemento che cerca di ribellarsi alla gravità e inizia la sua fusione in elio 3, dato che gli basta una temperatura relativamente bassa. La radiazione che si esercita in questa fase di bruciamento riesce a fermare il collasso gravitazionale e a rendere luminosa la stella in formazione.

Tuttavia, il deuterio finisce in fretta e dopo pochi milioni di anni la contrazione ricomincia. Se la nana bruna ha almeno 60 masse gioviane, il nucleo riesce a bruciare anche il litio. In ogni caso, o subito o non molto tempo dopo, la contrazione prosegue fino a quando la pressione nel nucleo si oppone alla gravità. Tutti gli elettroni si sono ormai separati dai loro nuclei atomici a causa del calore, sufficiente a liberarli, ma non a innescare la fusione dell’idrogeno. E’ qui che si consuma il destino della nana bruna. Da quanto abbiamo imparato nella meccanica Quantistica (QUI, vedi il principio d’esclusione di Pauli),  gli elettroni, praticamente impazziti, tendono a occupare gli strati ad energia più alta, orbitando sempre più velocemente. Per coloro che non hanno voglia di saltare a quell’articolo, che fa parte dei principi e degli effetti della meccanica quantistica (ma prima o poi dovrà farlo, è troppo interessante e importante!), riassumo le conclusioni:

La stella collassa per auto gravitazione a causa dell’esaurimento delle reazioni nucleari. La densità centrale sale e molti elettroni vengono a trovarsi nella stessa posizione quantistica. Tanto maggiore è il numero di elettroni che si vanno ad aggiungere, tanto più alti sono i valori di velocità che "gli ultimi arrivati" devono acquisire, dal momento che i valori più bassi sono già stati “utilizzati” dagli elettroni che si sono addensati in precedenza: il principio di Pauli non ammette più di due elettroni (con spin opposto) in un certo stato quantico.  E' facile capire che la pressione del gas di elettroni cresce al crescere della velocità con cui tali elettroni vengono “scartati” dal principio di Pauli, ovvero all’aumentare della loro densità.   Quando la densità sale sufficientemente,  la pressione elettronica è in grado di contrastare la gravità e la stella si assesta diventando una struttura composta di materia degenere. Abbiamo parlato di questo tipo di materia per descrivere le nane bianche (stelle come il Sole giunte alla fine della loro esistenza), ma le cose non cambiano di molto per le nane brune (anche se lo fanno prima ancora di essere riuscite a nascere).

Ovviamente, la densità del nucleo non può crescere troppo se no inizierebbe la fusione dell’idrogeno (stella), ma nemmeno rimanere troppo bassa (pianeta), altrimenti non scatterebbe il principio di Pauli. Ne segue che, anche per valori diversi di massa, esiste un certo intervallo di volume che determina questo stato ambiguo: né stella né pianeta. Il volume medio è quello relativo a un corpo delle dimensioni di Giove.

La differenza sostanziale è che Giove ha una  massa relativamente bassa  e, di conseguenza, una densità altrettanto bassa (si fa per dire). La contrazione si ferma per equilibrio normale tra gravità e pressione. Nelle nane brune il diametro è quello che dà origine, a partire da una massa ben maggiore, a una densità tale da bloccare la gravità solo attraverso la trasformazione in materia degenere. Quello che conta, perciò, per riconoscere un pianetone vagante da una nana bruna è essenzialmente la sua massa. Le dimensioni sono dello stesso ordine.

La pressione della materia degenere rallenta il collasso e la luminosità, abbastanza elevata durante la contrazione gravitazionale, comincia a diminuire fino a che la stella “non nata” si spegne lentamente diventando sempre più scura. In prima approssimazione, potremmo dire che l’età di una nana bruna dipende da quanto è scesa la sua luminosità. Essa contiene, comunque, una buona quantità di idrogeno che rimane nascosto per sempre (o quasi). Le stelle più piccole, anche se possono continuare a risplendere per miliardi e miliardi di anni, consumano gradatamente il loro idrogeno. Quando l’Universo sarà molto, molto vecchio, l’unico idrogeno si potrà recuperare soprattutto nelle nane brune. Altro che riserve petrolifere odierne!

Bene, abbiamo fatto una veloce conoscenza delle nane brune e abbiamo capito che le loro dimensioni devono essere relativamente piccole (non più di Giove, più o meno), anche se contengono molta più massa: sono pur sempre figlie del principio di Pauli. Inoltre, la loro luminosità decresce continuamente nel tempo, conferendo al corpo celeste tutte le gradazioni di colore dal rosso scuro al marrone scuro. Insomma, non è facile scoprirle e poter dire quante ce ne sono realmente nell’Universo o nelle nostra galassia o, anche solo, nei dintorni del Sole.

Eseguendo un’attenta analisi di tutte le nane brune scoperte, finora, nei dintorni del Sole e sistemandole nella loro posizione celeste, ci si è accorti che qualcosa non andava per il suo verso. Un gran numero di nane brune dovevano essersi nascoste da qualche parte, forse troppo timide o vergognose di mostrarsi nel loro stato di stelle mai nate.

Che cosa portava a questa conclusione, non certo facile da dedurre, a causa della difficoltà di individuare le nane brune? La loro distribuzione nel cielo!

Proiettandole sul piano galattico, ci si è accorti che le nane brune sembrano coprire solo la metà del piano, dove, invece, la distribuzione di stelle normali è del tutto omogenea. Un’asimmetria che non ha nessuna ragione fisica, ma che può dipendere solo e soltanto da una mancanza di dati osservativi. Il “buco”, visto da Terra, corrisponde a gran parte del cielo settentrionale. Questo buco deve essere riempito e non resta che eseguire osservazioni mirate allo scopo.

I ricercatori che  lo hanno scoperto si sono chiesti: “E se non mancassero soltanto le nane brune all’appello? E’ facile che si siano persi anche molti oggetti ancora più piccoli, come i pianeti vaganti e solitari?”.

In ogni modo, se le nane brune si fossero veramente nascoste e, se scoperte, andassero a “tappare” il buco in modo omogeneo rispetto al resto del cielo, ci potremmo aspettare almeno una nana bruna ogni quattro stelle “reali”: il 25% delle stelle non riesce a nascere.

Insomma, anche i dintorni del Sole (la ricerca copre una zona inferiore ai 6.5 parsec) sono ancora alquanto misteriosi. E pensare che proprio tra quelle stelle così maltrattate (e frequenti) vi sono le più grandi riserve di idrogeno per il nostro (lontanissimo) futuro.

Articolo originale QUI

 

Approfondendo la conoscenza delle nane brune, scoprirete che  forse possono avere pianeti, che a volte sono state scambiate per esopianeti e che una stella "normale" diventi una nana bruna per eccesso di generosità nei confronti della compagna.

Anche se le nane brune potrebbero avere un comportamento diverso dai pianeti, il limite che li separa è ancora abbastanza vago e ambiguo. Ma ha davvero senso voler classificare in modo rigido i corpi celesti? Ne parliamo QUI

NEWS del 13/2/2020 - Attravero lo studio delle orbite si può capire se un corpo celeste è un pianeta oppure una nana bruna

NEWS del 10/4/2021 - Le nane brune devono stare attente a non girare troppo in fretta...