Quão pequeno pode ser o tamanho de uma estrela em formação? As anãs castanhas são por vezes chamadas estrelas falhadas, uma vez que se formam como estrelas através de um colapso gravitacional, mas nunca ganham massa suficiente para iniciar a fusão nuclear. As anãs castanhas mais pequenas podem sobrepor-se em massa a planetas gigantes. Numa tentativa de encontrar a anã castanha mais pequena, os astrónomos que utilizam o Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA descobriram o novo recordista: um objeto que tem apenas três a quatro vezes a massa de Júpiter.

As anãs castanhas são objetos que se situam na linha entre as estrelas e os planetas. Formam-se como estrelas, tornando-se suficientemente densas para colapsar sob a sua própria gravidade, mas nunca se tornam suficientemente densas e quentes para começar a fundir hidrogénio e transformar-se numa estrela. No limite inferior da escala, algumas anãs castanhas são comparáveis a planetas gigantes, com apenas algumas vezes a massa de Júpiter.

Os astrónomos estão a tentar determinar o objeto mais pequeno que se pode formar de forma semelhante a uma estrela. Uma equipa internacional, utilizando o Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA, identificou o novo detentor do recorde: uma minúscula anã castanha que flutua livremente, com apenas três a quatro vezes a massa de Júpiter.

"Uma pergunta básica que se encontra em todos os manuais de astronomia é: quais são as estrelas mais pequenas? É a isso que estamos a tentar responder", explicou o autor principal Kevin Luhman da Universidade Estatal da Pensilvânia.

Para localizar esta recém-descoberta anã castanha, Luhman e a sua colega Catarina Alves de Oliveira escolheram estudar o enxame estelar IC 348, situado a cerca de 1000 anos-luz de distância, na região de formação estelar de Perseu. Este enxame é jovem, com apenas cerca de cinco milhões de anos. Consequentemente, as anãs castanhas ainda são relativamente brilhantes na luz infravermelha, devido ao calor da sua formação.

A equipa começou por fotografar o centro do enxame usando o instrumento NIRCam (Near-Infrared Camera) do Webb para identificar candidatas a anãs castanhas a partir do seu brilho e cores. Seguiram os alvos mais promissores usando o NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) do Webb.

A sensibilidade ao infravermelho do Webb foi crucial, permitindo à equipa detetar objetos mais ténues do que os telescópios terrestres. Além disso, a visão nítida do Webb permitiu-lhes determinar quais os objetos vermelhos que eram anãs castanhas pontuais e quais os que eram galáxias de fundo.

Este processo de seleção levou a três alvos intrigantes com massas entre três e oito vezes a de Júpiter, com temperaturas à superfície que variam entre 830 e 1500 graus Celsius. O mais pequeno destes alvos tem apenas três a quatro vezes a massa de Júpiter, de acordo com modelos de computador.

Explicar como é que uma anã castanha tão pequena se pode formar é um desafio teórico. Uma nuvem pesada e densa de gás tem muita gravidade para colapsar e formar uma estrela. No entanto, devido à sua gravidade mais fraca, deveria ser mais difícil para uma pequena nuvem colapsar e formar uma anã castanha, e isto é especialmente verdade para anãs castanhas com massas de planetas gigantes.

"É muito fácil, para os modelos atuais, criar planetas gigantes num disco à volta de uma estrela," disse Catarina Alves de Oliveira da ESA, investigadora principal do programa de observação. "Mas neste enxame, seria improvável que este objeto se formasse num disco, em vez de se formar como uma estrela, e três massas de Júpiter são 300 vezes mais pequenas do que o nosso Sol. Por isso, temos de perguntar: como é que o processo de formação de estrelas funciona com massas tão pequenas?"

Imagem que realça a posição das três anãs castanhas descobertas neste curto levantamento estelar de IC 348. Crédito: NASA, ESA, CSA, STScI e K. Luhman (Universidade Estatal da Pensilvânia) e C. Alves de Oliveira (ESA)

Para além de fornecerem pistas sobre o processo de formação estelar, as minúsculas anãs castanhas também podem ajudar os astrónomos a compreender melhor os exoplanetas. As anãs castanhas menos massivas sobrepõem-se aos maiores exoplanetas; por isso, seria de esperar que tivessem propriedades semelhantes. No entanto, uma anã castanha livremente flutuante é mais fácil de estudar do que um exoplaneta gigante, uma vez que este último está escondido no brilho da sua estrela hospedeira.

Duas das anãs castanhas identificadas neste levantamento mostram a assinatura espetral de um hidrocarboneto não identificado, uma molécula que contém átomos de hidrogénio e de carbono. A mesma assinatura infravermelha foi detetada pela missão Cassini da NASA nas atmosferas de Saturno e da sua lua Titã. Também foi observada no meio interestelar, o gás entre as estrelas.

"Esta é a primeira vez que detetamos esta molécula na atmosfera de um objeto para lá do nosso Sistema Solar", explicou Catarina. "Os modelos para atmosferas de anãs castanhas não preveem a sua existência. Estamos a olhar para objetos com idades mais jovens e massas mais baixas do que alguma vez vimos antes, e estamos a ver algo novo e inesperado."

Uma vez que os objetos estão bem dentro da gama de massas dos planetas gigantes, levanta-se a questão de saber se são de facto anãs castanhas, ou se são planetas fugitivos que foram ejetados de sistemas planetários. Embora a equipa não possa excluir esta última hipótese, argumenta que é muito mais provável que sejam anãs castanhas do que planetas ejetados.

Um planeta gigante ejetado é improvável por duas razões. Primeiro, esses planetas são pouco comuns em geral, quando comparados com planetas de massas mais pequenas. Em segundo lugar, a maioria das estrelas são estrelas de baixa massa, e os planetas gigantes são especialmente raros entre essas estrelas. Consequentemente, é pouco provável que a maioria das estrelas de IC 348 (que são estrelas de baixa massa) sejam capazes de produzir planetas tão massivos. Além disso, como o enxame tem apenas cinco milhões de anos, não deve ter havido tempo suficiente para que os planetas gigantes se formassem e fossem ejetados dos seus sistemas.

A descoberta de mais objetos deste tipo ajudará a clarificar o seu estatuto. As teorias sugerem que é mais provável encontrar planetas fugitivos na periferia de um enxame estelar, pelo que a expansão da área de pesquisa pode identificá-los caso existam em IC 348.

O trabalho futuro pode também incluir estudos mais longos que possam detetar objetos mais fracos e mais pequenos. Esperava-se que o curto levantamento realizado pela equipa detetasse objetos tão pequenos como o dobro da massa de Júpiter. Levantamentos mais longos poderiam facilmente atingir uma massa de Júpiter.

Estas observações foram efetuadas como parte do programa GTO (Guaranteed Time Observation) #1229. Os resultados foram publicados na revista The Astronomical Journal.

// ESA (comunicado de imprensa)
// ESA/Webb (comunicado de imprensa)
// NASA (comunicado de imprensa)
// STScI (comunicado de imprensa)
// Universidade Estatal da Pensilvânia (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (The Astronomical Journal)

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Anãs castanhas:
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