Il James Webb Space Telescope ha scoperto le nane brune meno massicce mai conosciute, oggetti celesti con una massa pari ad appena due volte quella di Giove. Il risultato è stato ottenuto osservando la vicina regione di formazione stellare IC 348 e porta l’analisi di questi corpi enigmatici all’interno di un intervallo di massa mai esplorato prima. La nuova immagine di IC 348, realizzata dal telescopio spaziale NASA, ESA e CSA, è inoltre una delle più grandi riprese del Webb diffuse finora al pubblico. Lo straordinario panorama stellare mostra una regione nella quale gas e polveri stanno dando origine a nuovi astri, ma è soprattutto la presenza di oggetti tanto piccoli a rendere le osservazioni particolarmente importanti. Le nane brune individuate possiedono una massa corrispondente ad appena lo 0,19% di quella del Sole. La loro esistenza rappresenta una sfida per i modelli teorici che cercano di spiegare la nascita delle stelle e pone una domanda fondamentale: quanto può essere piccolo un oggetto prodotto attraverso il normale processo di formazione stellare?
IC 348, una culla di stelle a mille anni luce dalla Terra
La regione di formazione stellare IC 348 si trova a circa 1.000 anni luce dalla Terra, nella costellazione di Perseo. In ambienti di questo tipo, fredde nubi composte prevalentemente da idrogeno molecolare collassano sotto l’effetto della gravità, innescando la nascita di nuove stelle e creando spettacolari strutture luminose modellate dal gas e dalla polvere. Il processo di formazione stellare può produrre oggetti estremamente diversi. Da una parte si trovano le stelle più massicce, destinate a vivere soltanto pochi milioni di anni prima di concludere la propria esistenza con esplosioni di supernova da collasso del nucleo. Dall’altra ci sono le stelle più piccole e comuni, caratterizzate da una vita molto lunga e dalla capacità di generare potenti tempeste stellari. Le stelle più leggere possiedono una massa pari a circa l’8% di quella del Sole. Al di sotto di questa soglia si apre il territorio delle nane brune, una classe di corpi celesti particolarmente affascinante perché si colloca idealmente tra le stelle e i pianeti giganti.
Che cosa sono le nane brune e perché non diventano vere stelle
Le nane brune si formano in modo simile alle stelle, attraverso il collasso di una nube molecolare. La loro massa, tuttavia, non è sufficiente a portare il nucleo alle temperature necessarie per avviare stabilmente la fusione dell’idrogeno in elio, il processo che alimenta stelle come il Sole. Molte nane brune riescono a fondere per un breve periodo il deuterio, una forma pesante dell’idrogeno, nelle prime fasi della loro esistenza. Non diventano però stelle propriamente dette e rimangono corpi relativamente freddi e poco luminosi, difficili da individuare anche con gli strumenti astronomici più avanzati. Uno degli interrogativi ancora aperti riguarda il limite inferiore di questo processo. Gli astronomi cercano infatti di stabilire quanto possano essere piccoli gli oggetti formati attraverso il collasso delle nubi molecolari. In altri termini, la domanda centrale è: quanto può essere piccola la più piccola nana bruna? La sensibilità degli strumenti del telescopio James Webb ha permesso di spingersi più in profondità all’interno di IC 348, offrendo agli scienziati la possibilità di cercare oggetti ancora più deboli e meno massicci rispetto a quelli già conosciuti.
Le prime osservazioni del 2022 e la nuova indagine di Webb
La stessa squadra di ricercatori aveva utilizzato Webb per studiare IC 348 già nel 2022. In quell’occasione erano state scoperte nane brune con masse comprese tra tre e quattro volte quella di Giove, un risultato che aveva già abbassato sensibilmente il limite degli oggetti conosciuti prodotti dal processo di formazione stellare. Gli astronomi hanno successivamente deciso di approfondire l’indagine, puntando nuovamente gli strumenti del telescopio verso la regione con l’obiettivo di trovare nane brune ancora più piccole. Nel 2024 il gruppo ha utilizzato NIRCam, la fotocamera nel vicino infrarosso del James Webb, per catturare il debole calore emesso dalle giovani nane brune e dalle stelle appena nate. I dati raccolti hanno permesso di realizzare la nuova e dettagliatissima immagine di IC 348. I ricercatori hanno selezionato una serie di candidate sulla base dei loro colori e della loro luminosità. Nel 2025 hanno quindi impiegato NIRSpec, lo spettrografo nel vicino infrarosso del telescopio, per effettuare osservazioni spettroscopiche e studiare più precisamente la massa delle potenziali nane brune.
Nane brune con una massa pari ad appena due Giove
Le profonde osservazioni del Webb hanno rivelato qualcosa di eccezionale: la presenza di nane brune con una massa pari ad appena due volte quella di Giove. Si tratta degli oggetti di questa categoria meno massicci mai identificati. Il risultato porta lo studio delle nane brune all’interno di una fascia di massa completamente nuova. Un corpo con appena due masse gioviane si trova infatti molto vicino alla scala dimensionale dei pianeti giganti, pur essendosi formato attraverso un meccanismo simile a quello che genera le stelle. Questa scoperta mette alla prova gli attuali modelli di formazione stellare. Gli scienziati devono ora spiegare come una nube molecolare possa collassare e frammentarsi fino a produrre un oggetto così leggero, con una massa che rappresenta soltanto lo 0,19% di quella solare. La differenza tra una nana bruna di massa planetaria e un pianeta gigante non dipende soltanto dalle dimensioni, ma anche dal processo che ne ha determinato la nascita. Le nane brune si originano direttamente dal collasso di gas e polveri, mentre i pianeti si formano normalmente nei dischi di materiale che circondano una stella o un altro oggetto centrale.
Un possibile sistema planetario intorno a una nana bruna
Le osservazioni di Webb hanno riservato un’ulteriore sorpresa. Una delle nane brune più leggere appena individuate mostra i segni della presenza di un disco circumstellare. Il dato suggerisce che attorno a questo corpo possano formarsi dei pianeti, nonostante la stessa nana bruna abbia una massa paragonabile a quella di un pianeta. Si delinea così uno scenario particolarmente insolito: un oggetto di massa planetaria, nato come una stella attraverso il collasso di una nube molecolare, potrebbe diventare il centro di un piccolo sistema planetario. La presenza del disco offre inoltre nuove indicazioni sulla versatilità dei processi cosmici attraverso i quali gas e polveri possono aggregarsi. Il confine tra stelle, nane brune e pianeti appare sempre più complesso e non può essere definito considerando esclusivamente la massa.
La misteriosa firma degli idrocarburi
Esaminando gli spettri delle nane brune presenti in IC 348, il gruppo di ricerca ha rilevato anche una caratteristica attribuita agli idrocarburi, molecole costituite esclusivamente da atomi di idrogeno e carbonio. Questa particolare firma è stata osservata soltanto nelle atmosfere delle nane brune con le masse più basse. La sua presenza potrebbe indicare che gli oggetti più estremi appartengano a una classe spettrale autonoma, distinta da quelle già utilizzate per descrivere stelle e nane brune più massicce. Lo studio degli idrocarburi nelle loro atmosfere potrà aiutare gli astronomi a comprendere meglio la composizione, la temperatura e l’evoluzione di questi corpi. Potrà inoltre fornire nuovi criteri per riconoscere altre nane brune di massa planetaria nascoste nelle regioni di formazione stellare.
Protostelle, getti e oggetti Herbig-Haro nella spettacolare immagine
Le stelle e le nane brune non sono gli unici elementi di rilievo presenti nella nuova immagine di IC 348. Nell’angolo superiore destro della ripresa compare una raccolta estremamente dettagliata di protostelle, astri ancora nelle prime fasi della loro formazione. Diverse protostelle sono accompagnate da oggetti Herbig-Haro, regioni luminose che si formano quando i getti espulsi dalle stelle neonate in crescita si scontrano con il gas e la polvere circostanti. Queste collisioni producono strutture brillanti che permettono di ricostruire l’attività e l’evoluzione degli astri più giovani. L’oggetto lungo e stretto, disposto orizzontalmente in questa porzione dell’immagine, è HH 797, già protagonista di una precedente immagine del mese realizzata dal Webb. Un’osservazione più accurata rivela che la sorgente è composta da due protostelle, caratterizzate da flussi in uscita quasi paralleli. Poco più a destra si trova HH 211, una sorgente dalla forma simile a un’elica. La struttura presenta sia getti stretti sia flussi più ampi ed era stata già mostrata in una precedente diffusione di immagini del telescopio spaziale.
Gli obiettivi scientifici del programma di osservazione
I dati utilizzati per creare la nuova immagine provengono dal programma di osservazione Webb numero 4866, guidato dai responsabili scientifici K. Luhman e C. Alves de Oliveira. Il progetto punta a studiare gli oggetti meno massicci prodotti dal processo di formazione stellare, verificando fino a quale limite possa spingersi il collasso delle nubi molecolari. Un altro obiettivo consiste nel comprendere come cambino, tra differenti regioni di formazione stellare, le popolazioni di oggetti di massa planetaria come le nane brune. Il programma cerca infine di chiarire l’origine della particolare firma degli idrocarburi rilevata nelle nane brune più leggere. Le nuove osservazioni di IC 348 mostrano quanto il James Webb Space Telescope sia decisivo per indagare oggetti deboli, freddi e difficili da distinguere, aprendo una nuova fase nello studio del confine ancora sfumato tra stelle e pianeti.
ESA/Webb, NASA, CSA, K. Luhman, C. Alves De Oliveira, M. Zamani (ESA/Webb)