Júpiter, super-júpiteres, anãs marrons e anãs vermelhas: como distinguir?

Júpiter é um planeta gigante gasoso, composto principalmente por hidrogênio e hélio. Sua massa (que pode ser representada por “M_J”), quando comparada com a massa da Terra, é imensa: 317,83 vezes maior, mas muito menor que a massa do Sol (representada por “M_S”): apenas 0,0009546, ou um pouco menos que um milésimo (M_J ≈ M_S/1000).

Devido seu grande tamanho, alguns dizem que Júpiter é uma estrela que falhou, porém isso está longe de ser verdade. Mesmo que Júpiter tivesse uma massa 10 vezes maior, ainda seria um planeta gigante gasoso e não uma estrela. Entre os planetas gigantes gasosos e as menores estrelas existe uma categoria de astros “intermediários”: as anãs marrons.

Existe um pequeno problema com a expressão “anã marrom”: esses astros não são “marrons”. Antes era um pouco pior, “anã negra”, “anã infra-vermelha” eram a expressões usadas. A expressão atual foi proposta em 1975 pela astrônoma Jill C. Tarter em sua tese de doutorado.

Uma anã marrom possui massa suficiente para “queimar” o lítio e o deutério em seu núcleo e gerar energia nuclear de forma própria, mas por pouco tempo (muitos milhares de anos), pois o seu combustível logo se esvai. Essa é a diferença entre os planetas gigantes gasosos e as anãs marrons: os primeiros não conseguem pressão e temperaturas suficientes em seus núcleos para iniciar uma reação nuclear. Curiosamente, uma anã marrom pode ser até ter o diâmetro menor que um planeta gigante gasoso, pois a densidade também aumenta com o aumento da massa.

A massa de uma anã marrom se situa (aproximadamente) no seguinte intervalo: 13M_J ≤ M_a ≤ 75M_J (ou 0,013M_S ≤ M_a ≤ 0,075M_S). A variação desse intervalo vai depender de alguns fatores técnicos (metalicidade, percentual inicial de deutério e hélio) e do modelo físico adotado para representar a anã marrom, o que, obviamente, foge ao escopo dessa postagem. Para uma anã marrom valem as seguintes reações nucleares:

• se a massa M_a ≥ 13M_J : p + ²H → ³He + γ
• se a massa M_a ≥ 63M_J : p + ⁵Li → 2⁴He + γ & p + ⁶Li → ⁴He + ³He + γ

Como as quantidades de deutério e lítio disponíveis são relativamente pequenas, depois de um tempo relativamente curto, as anãs marrons entram em processo de resfriamento e se contraem ainda mais, ficando com um diâmetro aproximadamente igual ao de Júpiter ou menor!

Em escala: Sol, uma pequena anã vermelha (75 MJ), uma anã marrom "grande" (65 MJ), uma anã marrom "média" (30 MJ) e Júpiter. As anãs têm uma idade de 1 bilhão de anos.

Já as anãs vermelhas são estrelas de “verdade”, queimando hidrogênio (reação próton-próton) em seu núcleo, mas de forma tão lenta que podem durar centenas de bilhões de anos. Um cálculo rápido: se a anã vermelha tiver uma massa de apenas 0,1 M_S, e brilhar com uma intensidade 100 vezes menor que o Sol, então sua duração será, aproximadamente, 10 vezes maior. Isso significa que ela pode continuar queimando lentamente o hidrogênio em seu núcleo por uns 50-100 bilhões de anos. Na verdade, um cálculo mais detalhado mostra que o tempo de vida de uma anã vermelha pode passar de um trilhão de anos (ver aqui)! Uma anã vermelha “grande”, tem uma massa ≈ 0,5 M_S e um diâmetro com cerca da metade do diâmetro do Sol. Para essa estrela, a sua vida na sequência principal terá uma duração algumas vezes maior que a do Sol, mas ela nunca chegará a se tornar uma gigante vermelha se sua massa for menor que 0,25 M_S. A tabela abaixo indica as características típicas das anãs vermelhas (fonte aqui).

Características típicas das anãs vermelhas

Classe	Massa Ms	Raio Rs	Lumin. Ls	Teff (K)
M0V	60%	62%	7.2%	3,800
M1V	49%	49%	3.5%	3,600
M2V	44%	44%	2.3%	3,400
M3V	36%	39%	1.5%	3,250
M4V	20%	26%	0.55%	3,100
M5V	14%	20%	0.22%	2,800
M6V	10%	15%	0.09%	2,600
M7V	9%	12%	0.05%	2,500
M8V	8%	11%	0.03%	2,400
M9V	7.5%	8%	0.015%	2,300

As figuras abaixo (Burrows et al., 2001) apresenta uma espécie de síntese de tudo o que foi falado até agora:

Devido à sua longa vida, uma estrela anã vermelha “grande” talvez seja um lugar privilegiado para permitir o nascimento e o florescimento da vida. Talvez até vida inteligente. Será que os criadores do personagem “super-homem” pensaram nisso?

Para ler mais: aqui e aqui. Ainda neste blog:

• Porqueas estrelas brilham?
• Notícias celestes.
• Presentede Natal celeste: ocultação de Júpiter pela Lua.
• Nossa vizinhança cósmica.