Webb scopre in IC 348 nane brune da appena due masse di Giove

Il telescopio spaziale James Webb della NASA ha individuato nella giovane regione di formazione stellare IC 348 nane brune con masse stimate fino a circa due volte quella di Giove. Sono oggetti liberi, cioè non in orbita attorno a una stella, e si collocano sul confine sempre più sfumato tra pianeti giganti e stelle mancate. Proprio per questo sono un banco di prova eccezionale: mostrano quanto piccoli possano essere i corpi che nascono in un vivaio stellare. 1

Come Webb ha trovato oggetti così deboli

IC 348 si trova a circa 1.000 anni luce dalla Terra, nella regione di formazione stellare del Perseo. Nell'infrarosso Webb può osservare non soltanto stelle giovani e polveri, ma anche sorgenti estremamente fredde e poco luminose che nella luce visibile risulterebbero difficili da rilevare. 1

La ricerca si è svolta in due passaggi:

1. NIRCam, la camera nel vicino infrarosso, ha misurato luminosità e colori degli oggetti candidati. Le giovani nane brune fredde hanno una firma infrarossa diversa da quella delle stelle ordinarie e di molte sorgenti sullo sfondo.
2. NIRSpec, lo spettrografo nel vicino infrarosso, ha poi analizzato alcuni candidati più in dettaglio. Gli spettri offrono indizi su atmosfere fredde e giovani e consentono di stimare proprietà fisiche, compresa la massa.

Il risultato estende una precedente scoperta di Webb nella stessa regione: la prima ricerca aveva identificato tre nane brune libere sotto le otto masse di Giove, inclusa una stimata tra tre e quattro masse gioviane. Le osservazioni più profonde hanno ora portato alla luce nuovi membri con stime vicine a due masse di Giove. 3

Perché due masse di Giove sono un risultato importante

Le nane brune sono oggetti troppo poco massicci per sostenere nel nucleo la fusione dell'idrogeno, il processo che alimenta le stelle normali. Alle masse più elevate alcune possono fondere deuterio per un periodo limitato, ma non diventano stelle capaci di brillare stabilmente grazie alla fusione dell'idrogeno.

Gli oggetti più leggeri di IC 348 hanno masse paragonabili a quelle dei pianeti giganti, ma vagano nello spazio senza una stella madre. In questa fascia, la massa da sola non risolve la questione della definizione: un corpo può avere una massa «planetaria», ma essere chiamato nana bruna o oggetto di massa planetaria se la sua origine è più simile alla formazione di una stella che alla nascita in un disco attorno a una stella.

Produrre oggetti isolati di appena poche masse gioviane è difficile per i modelli convenzionali di frammentazione delle nubi molecolari. La NASA sottolinea che queste scoperte sfidano i modelli della formazione stellare: le osservazioni fissano un nuovo limite inferiore raggiunto in IC 348, ma non stabiliscono da sole quale sia stato il meccanismo di formazione. 1

Le masse sono stime, non pesate dirette

L'espressione «circa due masse di Giove» indica una massa inferita, non misurata direttamente. Per nane brune così giovani, gli astronomi combinano luminosità osservata e spettro con modelli evolutivi che descrivono come l'oggetto si raffredda e si affievolisce nel tempo. Il valore dipende quindi da ipotesi sull'età e sulle primissime fasi della sua evoluzione.

Il punto centrale è dunque che IC 348 contiene membri substellari confermati o fortemente sostenuti dalle osservazioni in una fascia di massa estremamente bassa; non che sia stata trovata una linea di separazione netta e definitiva tra pianeti e nane brune.

Dischi attorno a oggetti di massa planetaria

Due nuovi membri di IC 348, con masse stimate attorno a due e dieci masse di Giove, mostrano un marcato eccesso nell'infrarosso associato a dischi circumstellari. Questi dischi contengono materiale dal quale potrebbero potenzialmente formarsi pianeti o lune.

L'implicazione è notevole: gli ingredienti della formazione planetaria potrebbero essere presenti attorno a corpi che hanno essi stessi una massa vicina a quella di un pianeta. Tuttavia Webb non ha osservato direttamente pianeti in formazione in questi sistemi. L'eccesso infrarosso traccia il materiale del disco, non costituisce una prova che pianeti siano già presenti o stiano effettivamente nascendo.

Getti, urti e una fabbrica di stelle in azione

Il mosaico di IC 348 non è soltanto un censimento di nane brune. Mostra anche stelle giovani che rimodellano l'ambiente con flussi di materia espulsi ad alta velocità, i cui getti si scontrano con gas e polvere circostanti. La NASA evidenzia questi potenti getti tra le strutture più spettacolari della scena.

Gli urti producono gli oggetti di Herbig-Haro, strutture luminose create quando gli outflow stellari colpiscono il materiale circostante. Nel campo più ampio compaiono, fra gli altri, HH 797 e HH 211: un'istantanea di più fasi della nascita stellare, da protostelle ancora immerse nella polvere a stelle giovani emergenti, getti, dischi e oggetti substellari liberi appena rilevabili.

Il mistero chimico alle masse più basse

Gli spettri di alcune delle nane brune più estreme mostrano anche un assorbimento associato a un idrocarburo alifatico non identificato. Una caratteristica simile, a 3,4 micrometri, era stata osservata nel mezzo interstellare e nelle atmosfere di Saturno e Titano. 714

È stata proposta una nuova classe spettrale per sorgenti con questo comportamento insolito, ma sia l'identificazione precisa della molecola sia un'eventuale nuova classificazione restano questioni aperte. Per ora è un indizio, non una risposta definitiva, sulla chimica e sulle atmosfere delle più piccole nane brune libere conosciute. 9

Cosa cambia con IC 348

Con Webb, il limite inferiore osservato per le nane brune libere in IC 348 passa dal precedente risultato di tre-quattro masse di Giove a circa due masse gioviane. La scoperta dimostra che le regioni di formazione stellare possono produrre oggetti in un intervallo di massa associato finora soprattutto ai pianeti; i dischi e gli spettri peculiari aggiungono però nuove domande sulla loro origine ed evoluzione.

La prossima sfida non è soltanto trovare oggetti ancora più deboli. Sarà capire se questi corpi sono nati dal collasso diretto di una nube, dall'espulsione dinamica da sistemi giovani, dalla frammentazione di un disco oppure da più percorsi diversi — e se i loro dischi potranno un giorno costruire mondi ancora più piccoli attorno a loro.