Velocidad atrapada: Cronometrando las enanas marrones giratorias más rápid


Ilustración enana marrón. Crédito: NOIRLab

Utilizando datos del Telescopio Espacial Spitzer de la NASA, los científicos han identificado las tres enanas marrones que giran más rápido jamás encontradas. Más masivas que la mayoría de los planetas, pero no lo suficientemente pesadas como para encenderse como estrellas, las enanas marrones son cósmicas en el medio. Y aunque no son tan conocidos como estrellas y planetas para la mayoría de la gente, se cree que cuentan en miles de millones en nuestra galaxia.

En un estudio que aparece en el Astronomical Journal,el equipo que hizo las nuevas mediciones de velocidad argumenta que estos tres rotadores rápidos podrían estar acercándose a un límite de velocidad de giro para todas las enanas marrones, más allá del cual se romperían. Las enanas marrones que giran rápidamente tienen aproximadamente el mismo diámetro que Júpiter, pero entre 40 y 70 veces más masivas. Cada una gira aproximadamente una vez por hora, mientras que las enanas marrones más rápidas conocidas giran aproximadamente una vez cada 1,4 horas y Júpiter gira una vez cada 10 horas. En función de su tamaño, eso significa que el más grande de los tres enanos marrones azota a más de 60 millas por segundo (100 kilómetros por segundo), o alrededor de 220,000 millas por hora (360,000 kilómetros por hora).

Las mediciones de velocidad se realizaron utilizando datos de Spitzer, que la NASA retiró en enero de 2020. (Las enanas marrones fueron descubiertas por la base terrestre Two Micron All Sky Survey, o 2MASS, que se extendió hasta 2001.) A continuación, el equipo corroboró sus hallazgos inusuales a través de observaciones con los telescopios gemini norte y magallanes terrestres.

Las enanas marrones, como las estrellas o los planetas, ya están girando cuando se forman. A medida que se enfrían y se contraen, giran más rápido, al igual que cuando una patinadora de hielo girando atrae sus brazos a su cuerpo. Los científicos han medido las tasas de giro de unas 80 enanas marrones, y varían de menos de dos horas (incluidas las tres nuevas entradas) a decenas de horas.

Con tanta variedad entre las velocidades de enana marrón ya medidas, sorprendió a los autores del nuevo estudio que las tres enanas marrones más rápidas jamás encontradas tienen casi la misma velocidad de giro (aproximadamente una rotación completa por hora) que las demás. Esto no puede atribuirse a que las enanas marrones se hayan formado juntas o estén en la misma etapa en su desarrollo, porque son físicamente diferentes: una es una enana marrón caliente, una es fría y la otra cae entre ellas. Dado que las enanas marrones se enfrían a medida que envejecen, las diferencias de temperatura sugieren que estas enanas marrones son edades diferentes.

Los autores no están atribuyendo esto a la coincidencia. Creen que los miembros del veloce trío han alcanzado un límite de velocidad de giro, más allá del cual una enana marrón podría romperse.

Todos los objetos giratorios generan fuerza centrípeta, lo que aumenta cuanto más rápido gira el objeto. En un paseo de carnaval, esta fuerza puede amenazar con echar a los jinetes de sus asientos; en estrellas y planetas, puede destrozar el objeto. Antes de que un objeto giratorio se rompa, a menudo comenzará a abultar alrededor de su sección media a medida que se deforma bajo la presión. Los científicos llaman a esta oblación. Saturno, que gira una vez cada 10 horas como Júpiter, tiene una oblación perceptible. Basándose en las características conocidas de las enanas marrones, es probable que tengan grados similares de oblación, según los autores del artículo.

Alcanzar el límite de velocidad

Teniendo en cuenta que las enanas marrones tienden a acelerar a medida que envejecen, ¿estos objetos regularmente están excediendo su límite de velocidad de giro y siendo desgarrados? En otros objetos cósmicos giratorios, como las estrellas, hay mecanismos naturales de frenado que les impiden destruirse a sí mismos. Aún no está claro si existen mecanismos similares en enanas marrones.

"Sería bastante espectacular encontrar una enana marrón girando tan rápido que está arrojando su atmósfera al espacio", dijo Megan Tannock, candidata a doctora en la Universidad Occidental de Londres, Ontario, y autora principal del nuevo estudio. "Pero hasta ahora, no hemos encontrado tal cosa. Creo que eso debe significar que o algo está ralentizando a las enanas marrones antes de que lleguen a ese extremo o que no puedan llegar tan rápido en primer lugar. El resultado de nuestro documento apoya algún tipo de límite en la tasa de rotación, pero aún no estamos seguros de la razón".

La velocidad de giro máxima de cualquier objeto está determinada no sólo por su masa total, sino por cómo se distribuye esa masa. Es por eso que, cuando hay tasas de giro muy rápidas, entender la estructura interior de una enana marrón se vuelve cada vez más importante: el material dentro probablemente cambia y se deforma de maneras que podrían cambiar la velocidad con la que el objeto puede girar. Al igual que los planetas gaseosos como Júpiter y Saturno, las enanas marrones se componen principalmente de hidrógeno y helio.
Las enanas marrones son más masivas que la mayoría de los planetas, pero no tan masivas como las estrellas. En términos generales, tienen entre 13 y 80 veces la masa de Júpiter. Una enana marrón se convierte en una estrella si su presión central se eleva lo suficiente como para iniciar la fusión nuclear. Crédito: NASA/JPL-Caltech

Pero también son significativamente más densos que la mayoría de los planetas gigantes. Los científicos creen que el hidrógeno en el núcleo de una enana marrón está bajo presiones tan tremendas que comienza a comportarse como un metal en lugar de un gas inerte: tiene electrones conductores flotantes libres, al igual que un conductor de cobre. Eso cambia la forma en que el calor se lleva a cabo a través del interior y con velocidades de giro muy rápidas, también puede afectar cómo se distribuye la masa dentro de un objeto astronómico.

"Este estado de hidrógeno, o cualquier gas bajo una presión tan extrema, sigue siendo muy enigmático", dijo Stanimir Metchev, coautor del artículo y presidente de investigación de Canadá en Planetas Extrasolares en el Instituto para la Exploración de la Tierra y el Espacio de la Universidad Occidental. "Es extremadamente difícil reproducir este estado de la materia incluso en los laboratorios de física de alta presión más avanzados."

Los físicos utilizan observaciones, datos de laboratorio y matemáticas para crear modelos de cómo deben ser los interiores de las enanas marrones y cómo deben comportarse, incluso en condiciones extremas. Pero los modelos actuales muestran que la velocidad máxima de giro enana marrón debe ser entre un 50% y un 80% más rápida que el período de rotación de una hora descrito en el nuevo estudio.

"Es posible que estas teorías no tengan el panorama completo todavía", dijo Metchev. "Puede que entre en juego algún factor no apreciado que no permita que la enana marrón gire más rápido". Observaciones adicionales y trabajo teórico todavía pueden revelar si hay algún mecanismo de frenado que impide que las enanas marrones se autodestrucción y si hay enanas marrones girando aún más rápido en la oscuridad.

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