Trío de enanas marrones que giran rápidamente pueden revelar un límite de velocidad de rotación

Las enanas marrones, a veces conocidas como "estrellas fallidas", pueden girar a más de 200.000 mph, (320 000 kmph) pero puede haber un límite en la velocidad a la que pueden ir.

Una enana marrón que gira rápidamente (ilustración) Esta ilustración muestra la enana marrón que gira más rápido que se ha encontrado hasta la fecha. Los astrónomos que usaron el telescopio espacial Spitzer de la NASA encontraron que 2MASS J0348-6022 gira sobre su eje cada 1.08 horas, aproximadamente diez veces más rápido que Júpiter y Saturno. Cuanto más rápido gira una enana marrón, más estrechas probablemente se vuelven las bandas atmosféricas de diferentes colores, como se muestra en esta ilustración. Algunas enanas marrones brillan con luz visible, pero normalmente son más brillantes en longitudes de onda infrarrojas, que son más largas de lo que pueden ver los ojos humanos. Las enanas marrones son más masivas que la mayoría de los planetas, pero no tanto como las estrellas. En general, tienen entre 13 y 80 veces la masa de Júpiter. Una enana marrón se convierte en estrella si la presión de su núcleo aumenta lo suficiente como para iniciar la fusión nuclear. Crédito: NASA / JPL-Caltech / R. Herido (IPAC)

Utilizando datos del Telescopio Espacial Spitzer de la NASA, los científicos han identificado las tres enanas marrones que giran más rápido jamás encontradas. Más masivas que la mayoría de los planetas, pero no lo suficientemente pesadas como para encenderse como estrellas, las enanas marrones son intermedias cósmicas. Y aunque no son tan conocidos como las estrellas y los planetas para la mayoría de las personas, se cree que suman miles de millones en nuestra galaxia.

En un estudio que aparece en el Astronomical Journal, enlace artículo, el equipo que realizó las nuevas mediciones de velocidad argumenta que estos tres rotadores rápidos podrían estar acercándose a un límite de velocidad de giro para todas las enanas marrones, más allá del cual se romperían. Las enanas marrones que giran rápidamente tienen aproximadamente el mismo diámetro que Júpiter pero entre 40 y 70 veces más masivas. Cada una gira aproximadamente una vez por hora, mientras que las siguientes enanas marrones conocidas más rápidas giran aproximadamente una vez cada 1.4 horas y Júpiter gira una vez cada 10 horas. Según su tamaño, eso significa que la más grande de las tres enanas marrones gira a más de 60 millas por segundo (100 kilómetros por segundo), o alrededor de 220.000 millas por hora (360.000 kilómetros por hora).

Las mediciones de velocidad se realizaron utilizando datos de Spitzer, que la NASA retiró en enero de 2020 (las enanas marrones fueron descubiertas por el Two Micron All Sky Survey, o 2MASS, que funcionó hasta 2001). El equipo luego corroboró sus hallazgos inusuales. a través de observaciones con los telescopios terrestres Gemini North y Magellan.

Las enanas marrones, como las estrellas o los planetas, ya están girando cuando se forman. A medida que se enfrían y se contraen, giran más rápido, como cuando una patinadora sobre hielo que gira atrae sus brazos hacia su cuerpo. Los científicos han medido las velocidades de giro de unas 80 enanas marrones, y varían desde menos de dos horas (incluidas las tres nuevas entradas) hasta decenas de horas.

El Telescopio Espacial Spitzer de la NASA ha identificado la enana marrón que gira más rápido que se conoce. Las enanas marrones son generalmente más masivas que los planetas, pero no lo suficiente como para convertirse en estrellas. Estos intermedios cósmicos abundan en toda la galaxia, pero quedan muchos misterios sobre ellos. Para medir la tasa de rotación de la enana marrón, Spitzer buscó cambios regulares en su brillo que se repiten con cada rotación. Luego, los científicos crearon una simulación de cómo la velocidad de rotación afectaría el espectro de luz emitida por la enana marrón. Las mediciones con telescopios terrestres coincidieron con la simulación y confirmaron la medición de Spitzer. Para obtener más información sobre el telescopio espacial Spitzer, visite spitzer.caltech.edu Crédito: NASA / JPL-Caltech (Música: zero-project)

Con tanta variedad entre las velocidades de las enanas marrones ya medidas, sorprendió a los autores del nuevo estudio que las tres enanas marrones más rápidas jamás encontradas tengan casi exactamente la misma velocidad de giro (aproximadamente una rotación completa por hora) entre sí. Esto no se puede atribuir a que las enanas marrones se hayan formado juntas o estén en la misma etapa de su desarrollo, porque son físicamente diferentes: una es una enana marrón cálida, una es fría y la otra cae entre ellas. Dado que las enanas marrones se enfrían a medida que envejecen, las diferencias de temperatura sugieren que estas enanas marrones tienen diferentes edades.

Los autores no atribuyen esto a una coincidencia. Creen que los miembros del veloz trío han alcanzado un límite de velocidad de giro, más allá del cual una enana marrón podría romperse.

Todos los objetos giratorios generan fuerza centrípeta, que aumenta cuanto más rápido gira el objeto. En una noria de carnaval, esta fuerza puede amenazar con arrojar a los pasajeros de sus asientos; en estrellas y planetas, puede destrozar el objeto. Antes de que un objeto giratorio se rompa, a menudo comenzará a hincharse alrededor de su sección media a medida que se deforma bajo la presión. Los científicos llaman a esto oblación. Saturno, que gira una vez cada 10 horas como Júpiter, tiene una oblación perceptible. Según las características conocidas de las enanas marrones, es probable que tengan grados similares de oblación, según los autores del artículo.

Alcanzando el límite de velocidad

Teniendo en cuenta que las enanas marrones tienden a acelerar a medida que envejecen, ¿estos objetos exceden regularmente su límite de velocidad de giro y se rompen? En otros objetos cósmicos en rotación, como las estrellas, existen mecanismos de frenado naturales que evitan que se destruyan a sí mismos. Aún no está claro si existen mecanismos similares en las enanas marrones.

Las enanas marrones son más masivas que la mayoría de los planetas, pero no tanto como las estrellas. En general, tienen entre 13 y 80 veces la masa de Júpiter. Una enana marrón se convierte en estrella si la presión de su núcleo aumenta lo suficiente como para iniciar la fusión nuclear. Crédito: NASA / JPL-Caltech

“Sería bastante espectacular encontrar una enana marrón girando tan rápido que lanza su atmósfera al espacio”, dijo Megan Tannock, Ph.D. candidato en Western University en London, Ontario. “Pero hasta ahora, no hemos encontrado tal cosa. Creo que eso debe significar que algo está frenando a las enanas marrones antes de que lleguen a ese extremo o que no pueden hacerlo tan rápido en primer lugar. El resultado de nuestro artículo admite algún tipo de límite en la tasa de rotación, pero aún no estamos seguros de la razón ".

La velocidad máxima de giro de cualquier objeto está determinada no solo por su masa total, sino también por cómo se distribuye esa masa. Por eso, cuando se trata de velocidades de giro muy rápidas, comprender la estructura interior de una enana marrón se vuelve cada vez más importante: es probable que el material en el interior se mueva y se deforme de maneras que podrían cambiar la rapidez con que el objeto puede girar. Al igual que los planetas gaseosos como Júpiter y Saturno, las enanas marrones están compuestas principalmente de hidrógeno y helio.

Pero también son significativamente más densos que la mayoría de los planetas gigantes. Los científicos piensan que el hidrógeno en el núcleo de una enana marrón está bajo presiones tan tremendas que comienza a comportarse como un metal en lugar de un gas inerte: tiene electrones conductores que flotan libremente, como un conductor de cobre. Eso cambia la forma en que se conduce el calor a través del interior y, con velocidades de giro muy rápidas, también puede afectar la forma en que se distribuye la masa dentro de un objeto astronómico.

"Este estado del hidrógeno, o de cualquier gas bajo una presión tan extrema, es todavía muy enigmático", dijo Stanimir Metchev, coautor del artículo y presidente de Canadá de investigación en planetas extrasolares en el Instituto de Exploración de la Tierra y el Espacio de la Western University. "Es extremadamente difícil reproducir este estado de la materia incluso en los laboratorios de física de alta presión más avanzados".

Todos los objetos giratorios, desde carruseles hasta planetas, generan fuerza centrípeta. Si un planeta gira demasiado rápido, esa fuerza puede separarlo. Antes de que eso suceda, el planeta experimentará un "aplanamiento" o abultamiento alrededor de su sección media, como se ve en esta ilustración animada de una enana marrón, Júpiter y Saturno. Crédito: NASA / JPL-Caltech

Los físicos utilizan observaciones, datos de laboratorio y matemáticas para crear modelos de cómo deberían verse los interiores de las enanas marrones y cómo deberían comportarse, incluso en condiciones extremas. Pero los modelos actuales muestran que la velocidad máxima de giro de la enana marrón debería ser entre un 50% y un 80% más rápida que el período de rotación de una hora descrito en el nuevo estudio.

"Es posible que estas teorías aún no tengan el panorama completo", dijo Metchev. "Es posible que entre en juego algún factor no apreciado que no permita que la enana marrón gire más rápido". Las observaciones adicionales y el trabajo teórico aún pueden revelar si existe algún mecanismo de frenado que impide que las enanas marrones se autodestruyan y si hay enanas marrones que giran aún más rápido en la oscuridad.

El Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, una división de Caltech, gestionó las operaciones de la misión Spitzer para la Dirección de Misiones Científicas de la NASA en Washington. Las operaciones científicas se llevaron a cabo en el Centro de Ciencias Spitzer en IPAC en Caltech. Las operaciones de la nave espacial se basaron en Lockheed Martin Space en Littleton, Colorado. El archivo de datos de Spitzer se encuentra en el Archivo de Ciencia Infrarroja en IPAC en Caltech en Pasadena, California. El Observatorio internacional Géminis es un programa del NOIRLab de la Fundación Nacional de Ciencias.

Para obtener más información sobre la misión Spitzer de la NASA, visite:

https://www.jpl.nasa.gov/missions/spitzer-space-telescope

Contacto con los medios de comunicación

Calla Cofield

Laboratorio de propulsión a chorro, Pasadena, California.

calla.e.cofield@jpl.nasa.gov

• Publicado en Spitzer el 7 de abril del 2021, enlace publicación.