Enanas marrones
Definiciones y características
Las enanas marrones pueden ser consideradas como estrellas fallidas porque son demasiado pequeñas para fusionar elementos químicos en sus núcleos. También pueden ser considerados como "super planetas" porque son más masivos que Júpiter, pero tienen aproximadamente el mismo diámetro. Al igual que los planetas gigantes de gas, las enanas marrones están hechas principalmente de hidrógeno y helio, pero a menudo se encuentran separadas de cualquier sistema planetario.
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| Impresión artística de uno de los descubrimientos superlativos de este estudio: la enana blanca de separación amplia más antigua conocida más la pareja de enanas marrones frías. El pequeño orbe blanco representa a la enana blanca (el remanente de una estrella parecida al Sol muerta hace mucho tiempo), mientras que el objeto en primer plano de color marrón/naranja, es la compañera enana marrón recién descubierta. Esta débil enana marrón fue pasada por alto previamente hasta que fue descubierta por científicos ciudadanos, porque se encuentra justo dentro del plano de la Vía Láctea. Créditos: NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld Acknowledgement: William Pendrill |
Debido a su similitud con los exoplanetas gigantes, las enanas marrones son ventanas en sistemas planetarios más allá de los nuestros. Es más fácil estudiar las enanas marrones que los planetas porque a menudo no tienen una estrella anfitriona brillante que les oscurece.
Las enanas marrones son objetos demasiado grandes como para ser considerados planetas, no son lo suficientemente grandes como para sostener la fusión nuclear del hidrógeno en sus núcleos, el proceso que impulsa a las estrellas. Los teóricos sugirieron en la década de 1.960 que tales objetos existirían, pero el primero no se descubrió hasta 1.995. Originalmente se pensó que no emitían ondas de radio, pero en 2.001, un descubrimiento de VLA de destello de radio en uno reveló una fuerte actividad magnética.
Las observaciones posteriores mostraron que algunas enanas marrones tienen auroras fuertes, similares a las que se ven en los planetas gigantes de nuestro propio Sistema Solar. Las auroras que se ven en la Tierra son causadas por el campo magnético de nuestro planeta que interactúa con el viento solar. Sin embargo, las enanas marrones solitarias no tienen un viento solar de una estrella cercana para interactuar. No está claro cómo se causan las auroras en las enanas marrones, pero los científicos piensan que una posibilidad es que un planeta o luna en órbita interactúe con el campo magnético de la enana marrón, como lo que sucede entre Júpiter y su luna Io.
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| Las enanas marrones son más masivas que los planetas pero no tanto como las estrellas. En términos generales, tienen entre 13 y 80 veces la masa de Júpiter. Una enana marrón se convierte en una estrella si su presión central se eleva lo suficiente como para comenzar la fusión nuclear. Crédito: NASA / JPL-Caltech. |
La diferencia entre un planeta gigante gaseoso y una enana marrón sigue siendo objeto de acalorados debates entre los astrónomos, pero una regla general que usan los astrónomos es la masa por debajo de la cual cesa la fusión del deuterio, conocida como el "límite de combustión de deuterio", alrededor de 13 masas de Júpiter. Las enanas marrones son objetos más pesados que los planetas pero más livianos que las estrellas, y típicamente tienen de 13 a 80 veces la masa de Júpiter o masas jovianas.
Las enanas marrones más pesadas que 13 Masas jovianas (Mj) se cree que fusionan deuterio y que las mayores de 65 Mj fusionan litio. A partir de 65 Mj, además de deuterio también queman tritio. Sin embargo, apenas tienen diferenciación química según la profundidad, ya que han sufrido en algún momento de su vida convección desde la superficie hasta su centro a causa de débiles reacciones de fusión de isótopos residuales.
La quema del deuterio se produce en su juventud y es posible debido a su baja temperatura de fusión, unos 100.000 K. Dado que el deuterio es un combustible minoritario que desaparece rápidamente, dicha reacción no puede sostener el colapso gravitatorio. Las enanas marrones siguen brillando por un tiempo debido al calor residual de las reacciones y a la lenta contracción de la materia que las forma. Las enanas marrones continuarán contrayéndose y enfriándose hasta llegar al equilibrio. Se cree que las enanas marrones son estrellas «fallidas», ya que contienen los mismos materiales que una estrella como el Sol, pero con muy poca masa para brillar. Son muy parecidas a los planetas gaseosos; no son del todo planetas, pero tampoco son estrellas.
Las estrellas se clasifican por la clase espectral, siendo las enanas marrones designadas como de tipos M, L, T e Y. A pesar de su nombre, las enanas marrones son de diferentes colores. Muchas enanas marrones es probable que aparezcan como magenta para el ojo humano, o posiblemente naranjas o rojas. Las enanas marrones no son muy luminosas en longitudes de onda visibles.
Las enanas marrones son objetos subestelares que se encuentran a ambos lados del límite entre los planetas más grandes y las estrellas más pequeñas [1]. Ocasionalmente denominadas estrellas fallidas, las enanas marrones carecen de la masa para desencadenar la fusión de hidrógeno en sus núcleos, y en cambio brillan en longitudes de onda infrarrojas con el calor sobrante de su formación. Si bien carecen de las reacciones de fusión que hacen que nuestro Sol brille, las enanas marrones pueden emitir luz en longitudes de onda de radio. El proceso subyacente que alimenta esta emisión de radio es familiar, ya que ocurre en el planeta más grande del Sistema Solar. El poderoso campo magnético de Júpiter acelera las partículas cargadas, como los electrones, que a su vez producen radiación, en este caso, ondas de radio y auroras.
Los telescopios pueden detectar las enanas marrones porque emiten calor, en forma de luz infrarroja, que queda de su formación. La luz infrarroja es invisible para los ojos humanos, pero puede revelar detalles tentadores sobre las enanas marrones y otros objetos en todo el universo.
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| La concepción de este artista ilustra cómo podrían verse las enanas marrones de diferentes tipos para un hipotético viajero interestelar que ha volado una nave espacial a cada una. Las enanas marrones son como estrellas, pero no son lo suficientemente masivas para fusionar átomos de manera constante y brillar con la luz de las estrellas, como lo hace nuestro sol. A la izquierda hay una enana L, en el medio hay una enana T y a la derecha una enana Y. Los objetos son progresivamente más fríos en temperaturas atmosféricas a medida que se mueve de izquierda a derecha. Las enanas Y son la clase más nueva y más fría de enanas marrones y fueron descubiertas por el Wide-field Infrared Survey Explorer de la NASA, o WISE. WISE pudo detectar estas enanas Y por primera vez porque examinó profundamente todo el cielo en las longitudes de onda infrarrojas a las que estos cuerpos emiten la mayor parte de su luz. La enana L se ve como un orbe rojo tenue al ojo. La enana T es aún más tenue y aparece con un tono rojizo o magenta más oscuro. La enana Y es aún más tenue. Debido a que los astrónomos aún no han detectado enanas Y en las longitudes de onda visibles que vemos con nuestros ojos, la elección de un tono púrpura se realiza principalmente por razones artísticas. La enana Y también se ilustra como un reflejo de una leve cantidad de luz estelar visible desde el espacio interestelar. En esta representación, la nave espacial del viajero está a la misma distancia de cada objeto. Esto ilustra una propiedad inusual de las enanas marrones: que todas tienen las mismas dimensiones, aproximadamente el tamaño del planeta Júpiter, independientemente de su masa. Esta disparidad de masa puede ser tan grande como quince veces o más cuando se compara una enana L con una Y, a pesar de que ambos objetos tienen el mismo radio. Las tres enanas marrones también tienen temperaturas atmosféricas muy diferentes. Una enana L típica tiene una temperatura de 2.600 grados Fahrenheit (1.400 grados Celsius). Una enana T típica tiene una temperatura de 1.700 grados Fahrenheit (900 grados Celsius). La enana Y más fría identificada hasta ahora por WISE tiene una temperatura de menos de aproximadamente 80 grados Fahrenheit (25 grados Celsius). Crédito de la imagen: NASA / JPL-Caltech. |
El resultado del nuevo esfuerzo de ciencia ciudadana es el mapa más completo hasta la fecha de las enanas L, T e Y en las cercanías del sistema solar. Estas variedades de enanas marrones pueden tener temperaturas de hasta miles de grados Fahrenheit, pero las enanas Y, que son las más frías, pueden tener temperaturas bajo cero y nubes hechas de agua.
Una enana L típica tiene una temperatura de 2.600 grados Fahrenheit (1.400 grados Celsius). Una enana T típica tiene una temperatura de 1.700 grados Fahrenheit (900 grados Celsius). La enana Y más fría identificada hasta ahora por WISE tiene una temperatura de menos de aproximadamente 80 grados Fahrenheit (25 grados Celsius).
Prueba de lítio
El litio es un elemento especialmente interesante para diferenciar estos objetos de las estrellas de baja masa, ya que es destruido rápidamente en las reacciones de fusión del hidrógeno (en concreto en las cadenas PPII) debido a que reacciona con el hidrógeno a tan solo 1.000.000 K. Las estrellas poco masivas (< 0,1MS) son enteramente convectivas, por lo que sus interiores están bien mezclados y el litio se quema junto con el hidrógeno en pocos millones de años. En cambio, las estrellas de masas similares o mayores que la del Sol sí que mantienen litio en sus atmósferas, ya que la convección no logra penetrar hasta el núcleo. En una enana marrón, debido a su baja masa, el hidrógeno no llega a alcanzar las temperaturas y presiones necesarias para desencadenar su fusión y el litio no es destruido, permaneciendo en la enana marrón durante toda su existencia. Este litio puede ser detectado a través de sus espectros de emisión característicos, constituyendo esta prueba el modo clásico de identificación de enanas marrones. La prueba fue usada por primera vez por el grupo del IAC capitaneado por Rafael Rebolo López. La prueba no es perfecta, ya que puede haber estrellas muy poco masivas en las que la quema del litio aún no haya concluido debido a su lentitud en las reacciones. También se barajó la posibilidad de medir la ausencia de deuterio para comprobar si se trata de una enana marrón o no, pero este dato se reveló más difícil de medir, ya que las líneas espectrales del hidrógeno y el deuterio son muy parecidas. Los investigadores han determinado que la frontera entre los objetos que destruyen litio y los que lo conservan se encuentra en 51,5 veces la masa de Júpiter.
Las enanas marrones, también conocidas como enanas café o estrellas fallidas, son el eslabón natural que hay entre las estrellas y los planetas; son más masivas que Júpiter, pero no lo suficiente para quemar hidrógeno, que es el combustible que utilizan las estrellas para brillar. Por eso estos objetos subestelares permanecieron invisibles hasta que los observadores los detectaron a mediados de los años noventa del siglo pasado. Son particularmente interesantes porque se predijo que algunos de estos objetos podrían preservar intacto el contenido de litio, el llamado “petróleo blanco” por su rareza y relevancia para múltiples aplicaciones, enlace entrada.
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| Los investigadores han determinado que la frontera entre los objetos que destruyen litio y los que lo conservan se encuentra en 51,5 veces la masa de Júpiter. La enana marrón Reid 1B constituye un depósito gigante de litio que nunca será destruido. Los planetas como Júpiter y la Tierra tampoco lo destruyen. Sin embargo, la enana marrón Reid 1A ha destruido todo su litio, así como el Sol que tan sólo conserva una pequeña parte de este elemento en sus capas más superficiales, que se van mezclando lentamente con el interior. Crédito: Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC) |
La emisión de poca energía por parte de estos astros lleva a que sea muy difícil observarlos de una manera directa desde grandes distancias. A pesar de esto, varios centenares de enanas marrones han sido identificadas, con temperaturas superficiales que varían entre 800 y 2000 grados Celsius. La temperatura superficial es una función creciente con la masa y decreciente con la edad del objeto.
Se ha encontrado en algunas enanas marrones discos de formación planetaria. Dichos discos de formación planetaria tienen muchas de las mismas características que los discos alrededor de las estrellas; Por lo tanto, se espera que habrá planetas formados por acreción alrededor de enanas marrones. Dada la pequeña masa de discos enanos marrones, la mayoría de los planetas serán planetas terrestres en lugar de gigantes gaseosos. Si un planeta gigante orbita una enana marrón a través de nuestra línea de visión, entonces, porque tienen aproximadamente el mismo diámetro, esto daría una señal grande para la detección por el tránsito. La zona de acreción para los planetas alrededor de una enana marrón está muy cerca de la propia enana marrón, por lo que las fuerzas de marea tendrían un efecto fuerte.
La posible habitabilidad de planetas que orbitaran una enana marrón ha sido estudiada, y dichos estudios muestran que las condiciones para que uno de estos astros tenga un planeta habitable son extremadamente estrictas debido tanto a que la zona habitable es muy estrecha (y además estrechándose y acercándose a la enana marrón al ir enfriándose el astro con el tiempo), como a que en particular la excentricidad orbital de tales planetas debe de ser extremadamente baja (del orden de 10-6) para evitar que se creen fuerzas de marea que acaben por producir en ellos un efecto invernadero descontrolado que los vuelva inhabitables.
