E’ una stella ? E’ un pianeta? Forse ISO ha scoperto la vera natura delle nane brune

Is it a star? Is it a planet?
15 Novembre 2001

La natura si diverte a prendersi gioco di noi. Le stelle sono stelle, i pianeti sono pianeti, penserete voi. Ebbene no, la realtà non è così ben definita, dopo la scoperta di sempre nuovi oggetti che non sono stelle né pianeti. Un gruppo di italiani, sulla scorta delle osservazioni fatte dall’ISO, l’Osservatorio Spaziale all’Infrarosso dell’Agenzia Spaziale Europea, ha trovato le prime prove dettagliate della formazione di questi ambigui “anelli mancanti” fra le stelle e i pianeti. Stando a queste evidenze, essi si formerebbero analogamente a quanto avviene con le stelle, facendo così propendere gli scienziati in favore di una loro origine stellare.

Per interi decenni gli astronomi hanno sospettato l’esistenza di un “anello mancante” fra le stelle e i pianeti, ovvero oggetti più massicci di pianeti giganti quali Giove, ma non così grandi da costituire delle vere e proprie stelle. Nel 1995, fu scoperto il primo, battezzato “nana bruna” e soprannominato “stella mancata”. In termini di massa, era più simile ad una stella che ad un pianeta, e sembrò chiaro che tali nane brune fossero semplicemente oggetti che avevano iniziato a formarsi nello stesso modo delle stelle, ma che non ce l’avevano fatta ad arrivare fino in fondo.

Poi, successe un imprevisto: si continuò a scoprire un numero sempre crescente di questi oggetti; alcuni, addirittura, avevano una massa così piccola da farli ritenere pianeti giganti e non stelle mancate, alimentando il dibattito, che ancora continua nella comunità degli astronomi circa la possibile classificazione di questi oggetti a massa oltremodo ridotta. Per alcuni si tratta di “pianeti in fluttuazione libera” – perché fluttuano liberi nello spazio anziché orbitare intorno ad una stella -, mentre altri criticano questa definizione, sostenendo che questi oggetti non si formano come i pianeti. Ma sarà proprio così?

La verità è che nessuno è ancora in grado di dare una risposta definitiva. E’ possibile che i più massicci fra questi “anelli mancanti” si siano formati come le stelle, e i più piccoli come i pianeti? E’ possibile tracciare una linea netta di demarcazione fra il processo che conduce alla formazione di una stella e quello che porta alla formazione di un pianeta, sulla base della massa dell’oggetto?

ISO : Infrared Space Observatory
ISO: Infrared Space Observatory

Sulla basate delle immagini osservate dall’ISO, Antonella Natta e Leonardo Testi dell’Osservatorio Astrofisica di Arcetri in Firenze, Italia, hanno scoperto che oggetti la cui massa arriva fino al 4% di quella del Sole, ovvero l’equivalente di 40 masse di Giove, si formano come le stelle. Questo valore si situa a metà strada fra la scala della massa delle stelle e quella dei pianeti.

Che differenza c’è fra le stelle e i pianeti?

Le stelle si formano a partire da grandi ammassi gassosi. Il gas si contrae per effetto della forza di gravità che spinge verso l’interno, con la formazione di una sfera gassosa che ruota. Più aumenta il volume della sfera – attraendo più gas dall’ammasso gassoso -, più cresce la spinta verso l’interno della forza di gravità, più il gas si contrae al centro della sfera. L’intensa compressione scatena una serie di reazioni nucleari che liberano l’energia che noi vediamo sotto forma di luce stellare.

Dunque le stelle hanno bisogno di una certa quantità di massa, altrimenti la gravità non avrebbe la forza necessaria per comprimere il gas in modo da innescare le reazioni nucleari e così produrre la luce. Ed è proprio questa la tragedia delle nane brune: hanno meno dell’8% della massa del Sole, ovvero 80 volte la massa del pianeta Giove, che è la massa minima per poter brillare. In questo senso, le nane brune sono “stelle mancate”.

Anche i pianeti si formano per accumulo di materiale, ma non direttamente a partire dalla nube gassosa bensì da un disco che circonda le stelle appena formate in uno stadio in cui stanno ancora assorbendo gas. Pertanto, i pianeti orbitano, presumibilmente, intorno ad una stella centrale, quantunque sia possibile che essi siano eiettati dal sistema a causa delle interazioni gravitazionali con altri corpi. Dunque, in linea di principio, non è possibile escludere che le nane brune siano effettivamente pianeti giganti e non “stelle mancate”.

La risposta è in un disco

Eagle Nebula
Cold comfort for newborn stars - ISO unmasks the icy veil around the Eagle's fiery heart

Gli astronomi dispongono già di qualche indizio per chiarire il mistero. Possono orientare le loro ricerche sul disco che circonda le stelle appena formate. Dato che i pianeti si formano “all’interno” di un disco, non dovrebbero averne uno proprio; quindi se è vero che le giovani nane brune sono circondate da un disco, questa circostanza milita in favore dell’ipotesi che esse si formino come le stelle, e che dunque siano più simili a queste che ai pianeti.

Antonella Natta e Leonardo Testi hanno condotto un test proprio su questa ipotesi. Hanno scelto tre nane brune – individuate inizialmente grazie all’ISO da Paolo Persi dell’Istituto di Astrofisica Spaziale di Roma, che presentavano le maggiori evidenze di esistenza di un disco ed hanno confrontato il loro segnale con quello di vere stelle di recente formazione note per essere circondate da un disco, per verificarne le analogie.

I risultati del test hanno rivelato che il segnale proveniente dalle tre nane brune è identico a quello emesso dalle stelle di recente formazione. Natta e Testi hanno anche dimostrato che le nane brune presentano effettivamente dei dischi e che dunque si sono formate come le stelle, e non come i pianeti.

Successivamente, Fernando Comeron, dello European Southern Observatory di Garchin, Germania, e i suoi collaboratori hanno calcolato che le masse di questi oggetti sono pari al 4-9% della massa solare.

“I nostri risultati forniscono una prima indicazione del fatto che oggetti con solo il 4% della massa del Sole si formano al pari delle stelle. Lo studio dei dischi che circondano oggetti di massa ridotta è di fondamentale importanza per comprenderne la formazione” osserva Natta. “Se sono presenti i dischi, e se le loro proprietà sono identiche a quelle dei dischi che circondano le stelle più recenti, possiamo trarre la conclusione che entrambi i tipi di oggetti si formano in modo analogo. In questo senso, l’ISO ci fornisce una possibilità unica di capire le proprietà dei dischi delle nane brune e, in successione, i loro meccanismi di origine”, aggiunge Testi.

Non è stato ancora possibile estrapolare questi risultati ed applicarli ai pianeti con minore massa in cosiddetta “fluttuazione libera”, ovvero alle nane brune di massa inferiore, ma i test di Natta e Testi dimostrano che le missioni future dell’Agenzia Spaziale Europea, quali la missione Herschel prevista nel 2007 e la NGST in programma nel 2009, consentiranno di osservare i dischi che circondano gli oggetti con massa 5 volte inferiore a quella di Giove.

I commenti degli altri esperti

Comeron, esperto di nane brune, commenta così questi risultati: “Una serie di indicazioni circa il fatto che le nane brune di più recente formazione fossero simili alle stelle nella misura in cui esse sono circondate da grandi quantità di pulviscolo erano già state rilevate da Terra più di dieci anni fa. Oggi grazie all’ISO, in particolare alla sua ISOCAM, possiamo vedere intere regioni molto più lontane dalla nana bruna centrale, e questo ci ha permesso di analizzare la forma del pulviscolo circostante e stabilire se formava un disco di grandi dimensioni”.

Secondo Comeron, “Le nostre conoscenze attuali suggeriscono che le nane brune con la maggiore massa si formano sostanzialmente come le stelle, per contrazione dei gas e degli ammassi gassosi per effetto della loro stessa gravità. Tuttavia, la scoperta di nane brune di massa sempre inferiore e non in orbita intorno ad una stella, che è stata un po’ una sorpresa, ha aperto l’orizzonte su ipotesi alternative circa i loro meccanismi di formazione, quali l’eiezione di pianeti durante i primissimi stadi di formazione dei sistemi planetari. A breve termine, prima delle prossime missioni spaziali, scopriremo se questa ipotesi è valida, una volta che avremo individuato un numero sufficiente di oggetti di massa estremamente ridotta e tracciato le loro traiettorie nello spazio”.

35 nuove nane brune scoperte dall’ISO

30 'failed stars' in nearby stellar nursery
30 'failed stars' discovered in the rho Ophiuchi cloud

A causa della loro scarsa lucentezza, è molto difficile studiare le nane brune, cosicché dopo la prima, individuata nel 1995, ne sono state scoperte solo alcune centinaia. Fra queste ve ne è un interessante sotto-gruppo formato dalle nane brune cosiddette “neonate”. In quelle di più antica formazione, il disco circostante può essersi già dissolto. Non così nelle nane brune più recenti. Poiché i dischi sono un segno della loro origine stellare, le nane brune più giovani sono oggetti di importanza cruciale per lo studio della loro formazione. “In questo senso, l’ISO si è rivelato uno strumento unico nella ricerca delle nane brune più recenti”, afferma Paolo Persi.

Le tre nane brune i cui dischi sono stati confermati dai test di Natta e Testi hanno solo alcuni milioni di anni di età. Si trovano in una regione di formazione stellare attiva ben nota chiamata Chamalaeon I situata nell’emisfero meridionale a soli 520 anni luce di distanza. In questa regione, dice Persi, l’ISO ha individuato 34 nuove nane brune di recente formazione la cui natura è stata confermata da una serie di osservazioni successive. Le ricerche condotte con l’ISO in altre regioni circostanti di formazione stellare, quali gli ammassi rho Ophiuchi e Serpens, hanno anche rivelato la presenze di numerose “candidate” al titolo di giovani nane brune.

A proposito di ISO, l’Osservatorio Spaziale all’Infrarosso

ISO, il telescopio spaziale all’infrarosso dell’Agenzia Spaziale Europea, è stato in servizio da novembre 1995 a maggio 1998. E’ un osservatorio senza precedenti per l’astronomia all’infrarosso: ha realizzato circa 30.000 osservazioni scientifiche.

Per maggiori informazioni, contattare:

Leo Metcalfe
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Tel: +34 91 8131372
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