I pianeti canaglia sono mai nati in isolamento?

Sto usando il termine "pianeta canaglia" qui vagamente per indicare qualsiasi cosa di massa planetaria che non orbita attorno a una stella. Le discussioni popolari su questi oggetti li descrivono sempre come formandosi attorno a una stella e quindi espulsi dall'interazione gravitazionale con altri pianeti. Ma avrei pensato che, in linea di principio, potevano formarsi nello spazio interstellare solo dal collasso di una nuvola sufficientemente piccola di polvere e gas.

Mi rendo conto che una piccola nuvola avrà meno auto-gravità, e quindi impiegherebbe più tempo a collassare [vedi le risposte per una correzione a questa ipotesi] e avrebbe maggiori possibilità di essere interrotta da altre forze. Ma è stata fatta un'analisi teorica dell'oggetto di massa minima che ci si potrebbe aspettare che si formasse in isolamento nel periodo di tempo della vita attuale dell'universo? Sarebbe una sorprendente coincidenza che quella soglia minima fosse la stessa massa della massa richiesta per la fusione dell'idrogeno.

La massa minima di un "pianeta" che si forma da una nuvola di gas (le definizioni di cosa sia un pianeta sono piuttosto scivolose, e alcuni direbbero che questo non è affatto un pianeta) non è determinato dal tempo disponibile. Il processo di collasso è rapido - meno di un milione di anni. Tuttavia, esiste una massa minima e ciò a cui ti riferisci è noto come limite di frammentazione .

Una nuvola diventa instabile e collassa se la sua massa supera la massa dei Jeans . La massa dei jeans dipende dalla temperatura alla potenza di 3/2 e inversamente dalla radice quadrata della densità della nuvola. Quando una nuvola di gas collassa, la sua densità aumenta. Se è in grado di irradiare calore in modo efficiente, la sua temperatura può rimanere più o meno costante e quindi la massa dei jeans diminuisce . Ciò consente alla nuvola di frammentarsi in pezzi più piccoli.

La massa minima che può collassare in isolamento verrà quindi impostata dal valore più piccolo che la massa di Jeans può raggiungere man mano che procede il collasso. Questo limite di frammentazione è a sua volta impostato dalla nuvola che diventa opaca per la propria radiazione, che si verifica quando la densità diventa abbastanza grande. A questo punto, la nuvola non può più eliminare efficacemente tutto il calore che viene generato al suo interno dal lavoro svolto dalla gravità nel schiacciarlo. La temperatura aumenta e la massa dei jeans smette di diminuire. Ora, il cloud potrebbe ancora crollare, ma non si spezzerà in blocchi più piccoli.

Il limite di frammentazione è difficile da calcolare con qualsiasi precisione, perché dipende dalla dinamica turbolenta 3D di una nuvola in collasso e anche dal fatto che la nuvola stia ruotando. Generalmente si pensa che sia nella gamma da una a poche volte la massa di Giove (ad es. Whitworth e Stamatellos 2006 ). Questo è molto al di sotto della massa minima per la fusione di idrogeno di circa 75 masse di Giove o di fusione al deuterio di circa 13 masse di Giove.

La prova dell'esistenza di tali oggetti può essere trovata nelle risposte alle domande correlate Come vengono scoperti i pianeti canaglia? e ci sono prove concrete dell'esistenza di pianeti canaglia?

Gli astronomi chiamano il tipo di oggetto che stai descrivendo - uno che si condensava da una nebulosa isolata ma era troppo piccolo per subire la fusione dell'idrogeno - un nano sub-marrone . Sono abbastanza difficili da rilevare come potresti immaginare, poiché "brillano" solo con il calore della loro formazione, molto vagamente nell'infrarosso (la pagina di Wikipedia si riferisce ad alcuni che orbitano attorno ad altre stelle e quindi potrebbero essere classificati come pianeti).

È teorizzato che esiste un limite inferiore sulla loro massa di circa 1 massa di Giove, perché le masse più piccole non possono condensarsi da una nuvola interstellare in isolamento. Alcuni nani sub-marroni candidati sono stati rilevati ed elencati nella pagina Wikipedia collegata; l'incertezza nella loro massa è alta (deve essere dedotta dalla loro temperatura e dall'età sospetta). WISE-0855 è la nana sub-marrone più piccola, più fredda e più vicina isolata finora, stimata 3-10 volte la massa di Giove.