Questa straordinaria immagine di un ammasso stellare nella Piccola Nube di Magellano (SMC) è più di una mera bella fotografia. Fa parte di uno sforzo scientifico per comprendere la formazione stellare in un ambiente diverso dal nostro. L’ammasso stellare giovane si chiama NGC 602, ed è davvero giovane, di circa 2 o 3 milioni di anni.

Questa immagine rispecchia gli standard che il JWST ha stabilito. NGC 602 si trova all’interno di una nebula di gas e polvere multicolore. Le molte stelle energetiche nell’ammasso illuminano la nebula dall’interno, mentre i suoi bordi esterni rimangono scuri. L’ammasso è ricco di gas ionizzato, il che indica che la formazione stellare è ancora in corso.
L’ammasso è diverso dalla nostra regione dello spazio. Ha un ambiente a bassa densità e una metallicità inferiore rispetto alla nostra regione. La metallicità influisce sul riscaldamento e sul raffreddamento del gas; in generale, più metalli ci sono, più assorbono calore, mantenendo il gas che forma stelle più fresco. Poiché le stelle si formano da gas più freschi, ci si aspetta che la metallicità migliori la formazione stellare.
Ma ci sono molte domande, compresa la questione di come si inseriscano i nani bruni in questo scenario. Si formano come le altre stelle, a partire dal collasso di gigantesche nubi molecolari? O si formano come i pianeti dalla frammentazione dei dischi circumstellari?
Nuove ricerche pubblicate su The Astrophysical Journal hanno esaminato NGC 602 con il JWST e riportato la prima rilevazione di una popolazione di nani bruni al di fuori della Via Lattea. È intitolato “Scoprendo candidati a nani bruni a metallicità subsolare nella Piccola Nube di Magellano.”
I nani bruni sono talvolta definiti planetari o ipergioviani perché sono più massicci dei pianeti ma non sufficientemente massicci per essere stelle. Sono anche spesso chiamati oggetti di massa sub-stellare. Per qualche motivo, durante la formazione, non riescono ad attrarre massa sufficiente a innescare la fusione e diventare stelle a tutti gli effetti. Identificarli in un ambiente a bassa metallicità offre l’opportunità di comprendere i nani bruni e la formazione stellare in generale in un contesto differente.
Una concezione artistica di un nano bruno. I nani bruni sono più massicci di Giove ma meno massicci delle stelle più piccole della sequenza principale. La loro debole luminosità e bassa massa li rendono difficili da rilevare. Immagine: Di NASA/JPL-Caltech (http://planetquest.jpl.nasa.gov/image/114) [Pubblico dominio], via Wikimedia Commons.
“Solo grazie all’incredibile sensibilità e risoluzione nella giusta gamma di lunghezze d’onda siamo in grado di rilevare questi oggetti a distanze così grandi,” ha condiviso l’autore principale. “Questo non è mai stato possibile prima e resterà impossibile anche con i telescopi a terra per il futuro prevedibile.”
“Fino ad ora, conoscevamo circa 3000 nani bruni, ma vivono tutti nella nostra galassia,” ha aggiunto un membro del team.
Il telescopio spaziale Hubble ha svolto un ruolo in questo lavoro, e non è la prima volta che i due telescopi spaziali hanno generato una sinergia scientifica preziosa lavorando insieme.
“Questa scoperta evidenzia la potenza di utilizzare sia Hubble che Webb per studiare giovani ammassi stellari,” ha spiegato un membro del team, direttore esecutivo dell’Istituto Internazionale di Scienze Spaziali in Svizzera e precedente scienziato del progetto Webb per l’ESA. “Hubble ha dimostrato che NGC602 ospita stelle giovani a bassa massa, ma solo con Webb possiamo finalmente vedere l’ampiezza e l’importanza della formazione di massa sub-stellare in questo ammasso. Hubble e Webb sono un duo di telescopi straordinariamente potente!”
I ricercatori hanno trovato 64 candidati a nani bruni nell’ammasso. Essi variavano da 0.05 a 0.08 masse solari (50-84 masse gioviane) e sono co-locati con stelle della sequenza principale. La bassa densità stellare nell’ammasso ha aiutato il JWST a risolvere oggetti individuali. Le osservazioni sono importanti per lo studio della funzione di massa iniziale a basse metallicità.
Queste figure della ricerca illustrano alcune delle osservazioni. I cerchi neri mostrano la regione dell’ammasso NGC 602, mentre i cerchi blu mostrano il campo di controllo. Il pannello superiore mostra le stelle pre-sequenza principale (PMS) nei cerchi rossi, mentre i candidati a nani bruni (cBD) sono mostrati nei rombi gialli. Il pannello inferiore mostra candidati a oggetti stellari giovani (cYSO) in verde. Le stelle PMS e i cBD hanno la stessa distribuzione, mentre i cYSO si trovano principalmente sui crinali di gas e polvere. Credito immagine: Zeidler et al. 2024.
Il concetto di Funzione di Massa Iniziale (IMF) è centrale nella teoria della formazione stellare. È come una ricetta che ci dice quanti stellari di diverse masse si formeranno in una regione di formazione stellare. L’IMF segue solitamente una legge di potenza, il che significa che si formeranno più stelle a bassa massa rispetto a quelle ad alta massa. Presenta generalmente una piccola ampiezza centrata sulla massa della stella di massa media.
Di solito, le stelle di massa inferiore a una massa stellare costituiscono circa il 70% del bilancio di massa iniziale in una regione. Ma anche piccole deviazioni dalla massa media possono avere grandi effetti sull’evoluzione di un ammasso stellare. La radiazione stellare delle stelle giovani può influenzare la massa media aumentando la temperatura del gas che forma le stelle. Ci sono alcune prove che la massa media si sposta verso masse più alte quando la temperatura iniziale è maggiore.
I dati di questo lavoro mostrano che gli oggetti a bassa massa in NGC 602 sono ben al di sotto della massa caratteristica. I nani bruni hanno masse comprese tra 0.048 e 0.08 masse solari o 50 e 84 masse gioviane. Poiché questi nani bruni sono co-locati con le giovani stelle della pre-sequenza principale dell’ammasso, suggerisce che si siano formati in modo sincrono. Questo indica che la funzione di massa stellare continua nel regime di massa sub-stellare.
Questa immagine mostra grosso modo dove si trova la regione studiata in NGC 602. Credito immagine: ESA/Webb, NASA & CSA, P. Zeidler, E. Sabbi, A. Nota, M. Zamani (ESA/Webb).
A differenza di altre ricerche simili, il team è stato in grado di misurare con precisione le età dei nani bruni. Tipicamente, è difficile studiare l’IMF al di sotto del limite della fusione dell’idrogeno perché gli oggetti privi di fusione si stanno costantemente raffreddando. Questo rende difficile per gli astronomi stimare la massa di un oggetto perché la temperatura efficace continua a cambiare.
Ma trovando questi nani bruni co-locati con stelle a fusione di idrogeno, Zeidler e i suoi collaboratori hanno trovato un modo per aggirare il problema. Ciò dimostra che i nani bruni hanno approssimativamente la stessa età delle stelle. Questo significa che i nani bruni e le stelle della sequenza principale forniscono tutti informazioni sull’IMF e sull’IMF sub-stellare.
Questa figura della ricerca mostra la distribuzione radiale delle stelle PMS (rosse), degli oggetti candidati a stelle giovani (verdi) e dei cBD (gialli) all’interno dei 60” dal centro dell’ammasso. Le stelle della sequenza principale e i nani bruni sono co-locati e distribuiti in modo simile, mentre i YSOs sono meno concentrati al centro dell’ammasso. Credito immagine: Zeidler et al. 2024.
Questo primo studio è solo il loro primo passo, e intendono approfondire.
“La selezione accurata delle età, insieme alla superb sensibilità e calibrazione del JWST, ci permetteranno, in un prossimo articolo, di studiare in modo affidabile la funzione di massa sub-stellare, ben al di sotto del turnover dell’IMF,” scrivono gli autori.
L’obiettivo è capire come si formano i nani bruni. Se possono studiare l’IMF sub-stellare in dettaglio, possono determinare se è una continuazione dell’IMF stellare. Poi, i ricercatori possono rispondere a una domanda importante e irrisolta: questi oggetti si formano dalla frammentazione e dal collasso di gigantesche nubi molecolari come fanno le stelle? Oppure si formano dalla frammentazione di dischi circumstellari come fanno i pianeti?
Per ora, hanno solo una risposta parziale.
“Da questo lavoro, la co-locazione con la PMS suggerisce che il canale di formazione dei cBD è lo stesso di quello dei loro più massicci omologhi stellari, come previsto dagli studi sul vicinato solare: la frammentazione e il collasso delle GMC,” concludono gli autori.