Las enanas marrones son objetos muy interesantes que los científicos estudian dentro de dos campos de la astronomía: la formación estelar y los planetas extrasolares. Estas, sin embargo, no parecen ser ni una estrella o un planeta, sino que caen en un área gris entre estas dos categorías. Intrigados por ellas, los astrónomos continúan su estudio con la esperanza de descubrir qué son realmente.
Las enanas marrones se pueden clasificar según su temperatura en tres tipos: L, T o Y. Las enanas marrones tipo L son las más calientes, con temperaturas comparables a las de un horno para cerámica caliente. Las de tipo T están en el medio y tienen temperaturas cercanas a las de los flujos de lava. Finalmente, las tipo Y son las más frías y tienen temperaturas entre un horno convencional caliente y un día frío en el Polo Norte.
Cuando hablamos de sus masas, las comparamos con la masa de Júpiter. Esto se debe a que las enanas marrones podrían tener entre 13 y 80 veces la masa de Júpiter. Esta masa no es suficiente como para comprimir el material en sus núcleos y hacerlas alcanzar temperaturas lo suficientemente altas para la fusión nuclear de átomos de hidrógeno u otro material que dan lugar al nacimiento de una estrella. La estrella más pequeña, donde todavía es posible la fusión del hidrógeno, tiene unas 80 veces la masa de Júpiter o alrededor del 8% de la masa de nuestro Sol. La masa de las enanas marrones cae por debajo de este límite, y ahí sólo es posible una fusión limitada utilizando una forma rara de hidrógeno llamada deuterio. Por debajo de este punto la fusión del deuterio también cesa y al objeto se le llama “planeta" .
Pero en el caso de las enanas marrones, también cuestionamos el término “planeta” porque la mayoría de las enanas marrones están solas en el cielo y no asociadas con una estrella. Sin embargo, los astrónomos han descubierto que algunos planetas no orbitan alrededor de una estrella, sino que viven a la deriva entre las estrellas, en una oscuridad casi total. A estos planetas se les llaman planetas vagabundos y se pueden encontrar a partir de imágenes directas de cúmulos de estrellas cercanos y jóvenes. Algunos científicos creen que estos planetas vagabundos podrían haberse formado al mismo tiempo que el cúmulo estelar joven en donde se encuentran, y por eso todavía están lo suficientemente calientes como para ser visibles en el infrarrojo. Con el tiempo y sin una estrella anfitriona, estos planetas vagabundos continuarán enfriándose y dejarán de ser detectados. Las enanas marrones parecen encajar bien en este escenario.
Aunque hay enanas marrones que tienen compañeras la mayoría parecen estar solas. Los astrónomos tienen varias teorías para explicar por qué. Una teoría afirma que se trata de planetas vagabundos creados alrededor de una estrella en un sistema planetario normal, pero que después fueron expulsados debido a alguna interacción gravitacional violenta. Otra teoría nos dice que las enanas marrones comienzan a formarse como otras estrellas pero no pueden reunir suficiente masa para convertirse en una. Existen explicaciones más complejas pero ninguna puede confirmarse, por lo que los astrónomos continúan investigando.
Debido a que las enanas marrones emiten principalmente luz infrarroja, su estudio vió un aumentó radical después de que entraron en operación observatorios infrarrojos mejores y más potentes. Estos incluyen el Telescopio Espacial Hubble (HST), el Telescopio Espacial Spitzer de la NASA y el Telescopio Espacial James Webb (JWST). Con su capacidad para observar esta nueva luz, estos telescopios pudieron obtener imágenes directas de muchos de estos objetos, permitiéndonos estudiarlos como entidades individuales o como sistemas múltiples que incluyen compañeras estelares o exoplanetas.
Centrándose en sus características individuales, un grupo de investigadores del Museo Americano de Historia Natural en la ciudad de Nueva York, NY, estudió la distribución de las nubes arenosas en las enanas marrones. Utilizando datos del archivo del Telescopio Espacial Spitzer de la NASA, ellos estudiaron varias enanas marrones tipo L cuya orientación ya conocían. Al analizar el espectro de muchos de estos objetos descubrieron que las nubes arenosas están más concentradas en el ecuador y con ello haciendo que las enanas marrones se vean diferente dependiendo de su orientación hacia nosotros. Por ejemplo, si observamos enanas marrones de frente, entonces estaremos observando las nubes del ecuador y el objeto se verá más rojo. Si observamos enanas marrones inclinadas, estas se volverán más azules ya que estaremos viendo más de las regiones polares[2].
Más recientemente, en 2023, un equipo de astrónomos utilizó el detector NIRcam en JWST para identificar la enana marrón más pequeña jamás vista, la cual tiene solo tres o cuatro veces la masa de Júpiter. Esta enana está ubicada en IC 348, un cúmulo joven de sólo 5 millones de años en la región de formación estelar de Perseo. Debido a que IC 348 es un cúmulo joven, cualquier enana marrón que se forme allí sigue siendo relativamente brillante[3]. En la imagen de abajo vemos las tres enanas marrones que el equipo encontró en este cúmulo, estas tienen entre tres y ocho veces la masa de Júpiter. De las tres, la más pequeña se convirtió en objeto de interés porque es difícil explicar su tamaño con los modelos teóricos de formación de estrellas y planetas. También en este estudio se encontró que dos enanas marrones tienen una característica de hidrocarburo no identificada, similar a los hidrocarburos detectados previamente por la misión Cassini de la NASA en las atmósferas de Saturno y su luna Titán. Esta observación es interesante porque es la primera vez que se detecta esta molécula en la atmósfera de un objeto fuera de nuestro sistema solar[3].
También en 2023, un equipo de astrónomos descubrió el primer sistema binario de enana marrón jamás observado por JWST. Este sistema está compuesto por dos enanas marrones de tipo Y[4], ambas separadas por aproximadamente 1 au (au = unidad astronómica o ~92 millones de millas). Utilizando modelos evolutivos, el equipo concluyó que estas enanas marrones tienen edades de entre 1 y 5 Gyr. Una de ellas tiene alrededor de 7.5 a 20 masas de Júpiter, mientras que su compañera tiene entre 4 y 12.5 masas de Júpiter. Suponiendo que el par tiene una órbita kepleriana, el equipo también calcula que este binario extremo tiene un período de traslación de entre 5 y 9 años[4].
El mismo año, un equipo utilizó el HST para buscar compañeros binarios y planetarios de baja masa para 33 enanas marrones cercanas tipos T e Y[5]. No encontraron ninguno en su muestra, lo que confirma las enanas marrones de menor masa y más frías no tienen un compañero binario estelar o planetario muy separado; estudios previos indican que solo entre el 10 y el 20% de las enanas marrones L-T son sistemas múltiples [6 ].
También con JWST, pero esta vez utilizando un espectrógrafo, un equipo de astrónomos observó varias de las enanas marrones más frías, las de tipo Y. Los espectros de alta resolución obtenidos por NIRSpec/JWST de dos de los objetos son casi idénticos, y muestran que estos tienen agua, amoníaco, metano, monóxido de carbono y dióxido de carbono. Sin embargo, el equipo también encontró emisiones de metano en uno de ellos, una característica que el equipo de investigación no había visto en las observaciones obtenidas de este objeto anteriormente. Tras comprobar que esta característica era real, el equipo asoció la emisión observada con características similares detectadas previamente en las auroras de Júpiter. En nuestro sistema solar, las auroras se producen principalmente por partículas cargadas transportadas por el viento solar y atrapadas por el campo magnético de los planetas. Sin embargo, las enanas marrones observadas están aisladas y no cerca de una estrella - ¿cómo es que tienen una aurora? — Una posible explicación se puede encontrar en las observaciones de Júpiter y Saturno. Estos dos planetas tienen lunas activas, Io en Júpiter y Encélado en Saturno, que los astrónomos han asociado con auroras observadas en algunas regiones de estos planetas. Sin embargo, el equipo no puede determinar con certeza si esta es la explicación, por lo que planean continuar estudiando estos objetos en busca de una respuesta definitiva[7].
Es por eso que las próximas observaciones de enanas marrones tomadas con JWST ayudarán a resolver muchos misterios que rodean a estos objetos, cómo se forman y cómo se relacionan con los objetos que vemos en nuestro sistema solar.
References
[4] Calissendorff, p. et al 2023, ApJ, 947:L30
[6] Fontanive, C. et al 2023, MNRAS, 526, 1783