3 jun. 2018

Enanas marrones, los objetos más numerosos y evasivos del Universo

Júpiter es, después del Sol, el planeta más masivo del Sistema Solar, acaparando aproximadamente el 10 por ciento de la masa total y más del 70 por ciento de la masa de todos los planetas juntos. 
El planeta Júpiter es un cuerpo masivo gaseoso, formado principalmente por hidrógeno y helio, que carece de una superficie interior definida. 
El hecho es que el Sistema Solar en formación no le aportó de suficiente material para que este planeta aspire a más. Porque de haber logrado atraer más materia en su formación, Júpiter habría comenzado un largo camino como cuerpo estelar. Se hubiera convertido en un segundo Sol. 
Es difícil inferir si la vida en la Tierra hubiese surgido con dos soles o incluso saber si se habría formado siquiera nuestro planeta. 
Porque hablando de cantidades de materia, si Júpiter hubiese logrado acretar de la nube primigenia en la que se formaron todos los planetas unas 13 veces su masa, se habría convertido en uno de los cuerpos celestes más enigmáticos y evasivos: una enana marrón. 



Las enanas marrones son cuerpos celestes cuasiestelares o subestelares que no llegaron a tener la masa suficiente para entrar en la serie principal y convertirse en estrellas. 
Debido a su baja presión de gravedad, son incapaces de lograr las temperaturas internas necesarias para fusionar de forma estable el hidrógeno en su núcleo. 
Las enanas marrones poseen un rango de masas entre los planetas gigantes gaseosos más masivos denominados jovianos y las enanas rojas menos masivas. 



El límite inferior para las enanas marrones es de unas 13 veces la masa de Júpiter y el superior es de 75 a 80 veces. Aunque se han detectado enanas marrones menores a la cifra promedio mencionada. Más adelante veremos cómo los astrofísicos las intentan diferenciar de los planetas gigantes y de las enanas rojas ligeras. 
Se infiere a partir de su masa que todas las enanas marrones han fusionado algún isótopo químico, al menos el deuterio. Aunque recientemente esto se ha puesto en dudas. 
Lo que sí se supone es que las enanas marrones de una masa 13 veces la de Júpiter pueden fusionar deuterio al menos temporalmente y que las más masivas pueden fusionar litio y tritio. 





Todas las enanas marrones que han logrado fusionar deuterio al menos en el comienzo de sus vidas, no tienen diferenciación química en su interior. Esto es así debido a que ha habido procesos convectivos entre la superficie a su interior. 
La fusión de deuterio se produce en la juventud de una enana marrón. Esto es posible dada la baja temperatura de fusión efectiva del deuterio. En condiciones estelares de alta presión por contracción gravitatoria la probabilidad de que ocurran fusiones sostenidas por efecto túnel para el deuterio es alta para una temperatura de 100 mil grados kelvin 
Pero debido a que el deuterio es escaso, esta reacción desaparece rápidamente y el colapso gravitatorio de la enana marrón continúa. 
Las enanas marrones siguen emitiendo radiación lumínica por un tiempo debido al calor residual de las reacciones y a la lenta contracción de la materia que las forma. Es por este motivo que los científicos suponen que son cuerpos tan densos en promedio. 

Para entender la formación de una enana marrón primero repasemos el mecanismo estándar para el nacimiento estelar. 
Este evento se da a través del colapso gravitatorio de una nube interestelar fría de gas y polvo. A medida que la nube se contrae, su temperatura se eleva debido al mecanismo de Kelvin-Helmholtz. Al principio del proceso, el gas que se contrae rápidamente irradia gran parte de la energía al medio, lo que permite que el colapso continúe. 


Eventualmente, la región central se vuelve lo suficientemente densa como para conservar la radiación por pérdida de conductividad térmica. En consecuencia, la temperatura central y la densidad de la nube colapsada aumentan dramáticamente con el tiempo. Esto reduce la velocidad de contracción, hasta que las condiciones sean favorables para que ocurran reacciones termonucleares en el núcleo de la protoestrella. Estas reacciones termonucleares ocurrirán gracias al aumento de la probabilidad de tunelamiento de los isótopos ligeros, no por vencimiento de las barreras de coulomb. 

La presión del gas y la radiación generada por la fusión dentro del núcleo de la estrella lo apoyarán contra cualquier contracción gravitacional adicional. Se alcanzará el equilibrio hidrostático y astro pasará la mayor parte de su vida fusionando hidrógeno en helio posicionado en la secuencia principal. 
Pero como se dijo, si la masa del cuerpo protoestelar es menor que unas 13 veces Júpiter o un 8 por ciento de la masa del Sol, las reacciones de fusión termonuclear de hidrógeno normales no se encenderán en el núcleo. 
La contracción gravitacional no calienta el núcleo de manera efectiva, y antes de que la temperatura pueda aumentar lo suficiente como para desencadenar la fusión del hidrógeno, la densidad llega al punto donde los electrones se compactan lo suficiente como para crear una presión de degeneración cuántica. El núcleo se mantiene rígido por el principio de exclusión entre electrones de Wolgang Pauli. 



De acuerdo con los modelos de interiores de enanas marrones, se estima que la densidad es de 10 gramos por centímetro cúbico en las regiones exteriores y mil gramos por centímetro cúbico en la región nuclear. Mientras que la presión alcanzará las 10 atmósferas en el núcleo y los 3 millones de grados 
En resumen, el cuerpo protoestelar no es lo suficientemente masivo y no lo suficientemente denso como para alcanzar las condiciones necesarias para mantener la fusión de hidrógeno. Resultan ser estrellas fallidas, enfriándose poco a poco y quedando en medio de la clasificación entre planeta y cuerpo estelar. 
La elevada densidad promedio de las enanas marrones se explicaría debido a que la contracción gravitatoria no logra fusionar el hidrógeno lo cual no hará que las capas exteriores se expandan por presión de radiación como en una estrella. El resultado es un cuerpo mucho más denso que cualquier planeta o estrella. 

Las diferencias que definen a una enana marrón de masa baja de planeta tipo Júpiter son cuestiones de debate. Un grupo de científicos basa la diferencia en la formación, mientras que otro grupo en la física del interior de estos cuerpos. La principal fuente de debate es saber si las enanas marrones deben, por definición, haber experimentado la fusión en algún momento de su historia evolutiva. 
Otro aspecto no tan fácil es diferenciar a las enanas marrones de gran masa de las estrellas de poca masa, las enanas rojas. 

El litio generalmente está presente en enanas marrones y no en enanas rojas, pues en estas últimas se alcanza la temperatura necesaria para fusionar hidrógeno lo cual agota rápidamente su litio. 

La fusión de litio-7 más un protón ocurre produciendo dos núcleos de helio-4. La temperatura necesaria para esta reacción es justo inferior a la necesaria para la fusión de hidrógeno. Los procesos convectivos en enanas rojas o en enanas amarillas de baja masa aseguran que el litio en todo el volumen del cuerpo se agote. Por lo tanto, la presencia de la línea espectral de litio en una enana marrón candidata es un fuerte indicador de que se trata de un objeto subestelar. 
Sin embargo la prueba del litio puede dar error en estrellas muy jóvenes, que aún no han tenido suficiente tiempo para quemarlo todo. O en enanas tipo solares que pueden retener litio en sus capas externas, que nunca se calientan lo suficiente como fusionarlo, y cuya capa convectiva no se mezcla con el núcleo donde el litio se agotaría rápidamente. Pero lo bueno es que las enanas amarillas se distinguen fácilmente de las enanas marrones por su tamaño y luminosidad. 

Por el contrario, puede haber enanas marrones en el límite superior de masa que puedan estar lo suficientemente calientes como para agotar su litio por fusión. Estas enanas marrones superiores a las 65 masas jovianas pueden quemar su litio en el momento en que tienen 500 millones de años, por lo tanto, la prueba de litio no es perfecta. 

A diferencia de las enanas rojas, las enanas marrones más viejas a veces son lo suficientemente frías en superficie como para que, en períodos muy largos, sus atmósferas puedan reunir cantidades observables de metano que no pueden formarse en objetos más calientes. Con esto podrían diferenciarse en las cotas superiores pero no en las inferiores dado que los gigantes gaseosos como júpiter presentan metano en superficie. 
Una forma de diferenciar a las enanas marrones de alta masa con las enanas rojas de baja masa es a partir de la denominada precipitación de hierro. Esto ocurre sólo en enanas marrones como parte de los procesos de convección atmosférica. La investigación espectroscópica sobre la presencia de hierro todavía está en curso, pero no todas las enanas marrones muestran esta anomalía atmosférica. 
Una distinción conveniente para diferenciar a las enanas marrones de baja masa de los planetas gigantes de gran masa es que las enanas marrones se forman independientemente, al igual que las estrellas. No así los planetas, que requieren del disco de acreción de un cuerpo protoestelar para su formación. 



Otro problema al intentar detectar enanas marrones es que tienen aproximadamente el mismo radio que Júpiter. En el extremo superior de su rango de masa, entre 60 y 90 masas jovianas, el volumen de una enana marrón se rige principalmente por la presión de degeneración de electrones, como ocurre en las enanas blancas; en el extremo inferior del rango, 10 a 13 masas jovianas, su volumen se rige principalmente por la presión de Coulomb, como ocurre en los planetas. El resultado neto es que los radios de las enanas marrones varían solo un 10 a 15% en el rango de masas posibles. Esto puede dificultar distinguirlos de los planetas. 
Para empeorar las cosas, muchas enanas marrones no experimentan fusión. Son las que se encuentran en el extremo inferior del rango de masa, por debajo de 13 masas jovianas, nunca están lo suficientemente calientes como para fusionar incluso el deuterio. Mientras que las que están en el extremo superior del rango de masa, más de 60 o 65 masas jovianas, se enfrían lo suficientemente rápido y después de sólo 10 millones de años ya no sufren fusión 

Pero como dato alentador para su detección es que la presencia de rayos X y los espectros infrarrojos son signos reveladores de enanas marrones. Algunas emiten rayos X, y todas continúan emitiendo radiación en los espectros rojo e infrarrojo. 

Actualmente, la Unión Astronómica Internacional considera un objeto por encima de 13 masas jovianas como una enana marrón, mientras que un objeto bajo esa masa (y orbitando un cuerpo estelar o remanente) se considera un planeta. 
Este límite de 13 masas jovianas es una regla general en lugar de algo de significado físico preciso. Los objetos más masivos quemarán la mayor parte de su deuterio y los menos solo arderán un poco, y el valor de la masa de 13 Júpiter se encuentra en algún punto intermedio. 
Actualmente los objetos por debajo de las 13 masas jovianas son denominados sub-enanas marrones o enana marrón de masa planetaria. Se forman de la misma manera que las enanas marrones pero tienen una masa por debajo del límite para la fusión termonuclear del deuterio. Pero a diferencia de los Júpiter, pueden estar solas o ser miembros de sistemas estelares múltiples. 
Pero esta categoría es tan ambigua que algunos investigadores los nombran planetas de flotación libre, mientras que otros, enanas marrones de masa planetaria. 



Las enanas marrones a menudo se descubren en estudios para descubrir planetas extrasolares. Los métodos para detectar planetas extrasolares también funcionan en las enanas marrones, aunque las enanas marrones son mucho más fáciles de detectar. Además, pueden ser potentes emisores de radio debido a sus fuertes campos magnéticos. Lo cual favorece su detección. 

Los científicos sospechan que las enanas marrones pueden ser los objetos más numerosos de las galaxias, incluso más numerosos que las estrellas o incluso los planetas 

Con más datos y nuevos instrumentos esperemos que se esclarezcan las dudas que todavía se ciernen sobre estos enigmáticos cuerpos celestes.

Prof. Mariano Miguel Lanzi

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