The Birth and Evolution of Brown Dwarfs

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Otros Mundos Enanas Marrones y Exoplanetas
Eduardo L. Martin Instituto Astrofisico de
Canarias/Hawaii
Esquema 1) Que es una enana marron? Y un
planeta? 2) Como, cuando y donde se
encuentran? 3) Como se forman las enanas marrones?
Septiembre 2003
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Nuestro Sistema Planetario
Que tipo de planetas hay en el Sistema Solar?

• Una estrella G2V aislada
• Cuatro planetas rocosos internos
• Cuatro planetas gigantes gaseosos externos
• Orbitas coplanares y circulares
• Lunas, anillos, asteroides, cometas, plutinos
• Region poco conocida mas alla de 50 AU (posible
  planeta X o enana marron tipo Nemesis).

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El Poder de la Masa
Que es una enana marron? Y un planeta?

• Una enana marron se define por su masa,
  independientemente del mecanismo de formacion.
• La frontera entre estrellas y enanas marrones es
  debida al desarrollo de nucleos degenerados en
  objetos de muy baja masa.
• Las masa minima para la quema estable de H
  depende de la composicion quimica y la rotacion.
  Para abundancias solares e ignorando la rotacion
  el limite es0.075MSun79MJupiter.
• Adoptamos como frontera en masa entre enanas
  marrones y planetas 0.012MSun13MJupiter.

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Reactores Nucleares Degenerados
Por que las enanas marrones y planetas no
brillan como las estrellas?

• Las enanas marrones y los planetas gigantes se
  contraen y se enfrian con el tiempo debido a la
  presion de e- degenerados en su nucleo.
• La prueba del litio fue inventada para distinguir
  a las enanas marrones que no queman este fragil
  elemento.

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La Mina de Litio Subestelar
Como funciona la prueba del litio?

• Para Mlt60MJup el litio nunca se quema. Magazzu,
  Martin y Rebolo 1993
• En atmosferas muy frias (Teff2000 K), el Li se
  en estado neutro.
• La linea de resonancia del LiI deberia ser muy
  intensa en enanas marrones, pero los primeros
  candidatos observados no la presentaban. Martin,
  Rebolo, Magazzu 1994

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El Desierto de Enanas Marrones
Por que se pensaba que las enanas marrones no
existian ?

• Desde hace mas de 2 decadas se tenia capacidad de
  detectar enanas marrones con la tecnica de
  velocidad radial. La funcion de masas se truncaba
  en el limite subestelar. Marcy et al. 1994.

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Planetas No Confirmados
Cual fue el primer planeta extrasolar?

• Los planetas fantasmas son los que se han
  anunciado una vez pero no han sido confirmados
  cuando los datos han mejorado .
• Quiza el caso mas famoso es el del planeta en
  torno a la estrella de Barnard. Van de Kamp 1956.

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Una Gran Cosecha
Cuando se descubrieron las primeras enanas
marrones y exoplanetas?

• En 1995 fueron descubiertos tres objetos clave
  51 Peg b (Mayor y Queloz), Gl 229B (Nakajima et
  al. y Oppenheimer et al.) y Teide Pleyades 1
  (Rebolo, Zapatero-Osorio y Martin).
• Quedaba demostrada la existencia de enanas
  marrones y exoplanetas.

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Teide Pleyades 1
Como descubrieron a Teide 1?

• Observada por primera vez en el Isaac Newton en
  1986, pero paso inadvertida. Jameson y Skillen
  1989.
• Reobservada en 1994 con el telescopio IAC80.
  Movimiento propio consistente con el cumulo.
• Primer espectro obtenido en 1994 con el William
  Herschel. Deteccion del litio con el KeckI en
  1995.

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El Mayor Observatorio del Mundo
Por que me traslade a trabajar a Hawaii?

• El instituto de Astronomia de la Universidad de
  Hawaii posee entre el 10 y el 15 del tiempo de
  todos los telescopios instalados en Hawaii.
• 2 Keck 10m, Subaru 8m, Gemini 8m, CFHT 3.6m,
  UKIRT 3.9m.

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El Descanso del Guerrero
Por que no me quede en Hawaii?

• No soy un soldado (americano)
• La ciencia no solo consiste en tomar datos en los
  mejores telescopios. Hay que tener tiempo de
  reflexionar.
• Proyectos de futuro en mi pais (Grantecan, ALMA).

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La Vecindad Solar
Cuales son las estrellas y enanas marrones mas
cercanas?

• Las enanas M son las estrellas mas abundantes en
  la vecindad solar.
• Hasta 1997 se conocia solo una enana marron
  dentro de 8 pc (Gl 229 B).

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Nuevos Vecinas Enanas

• Los mapeos del cielo DENIS, 2MASS y SDSS, asi
  como estudios de movimientos propios han
  descubierto docenas de enanas marrones a
  distancias lt 20 pc. La mas cercana (Eps Ind B)
  esta a solo 3.6 pc y es binaria.
• La prueba del Li ha permitido verificar la
  naturaleza subestelar.

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Extrapolacion de las enanas marrones
descubiertas
Cuanto contribuyen en masa las enanas marrones?

• Teniendo en cuenta la incompletitud de los
  mapeos, se estima una cantidad total de enanas
  marrones similar a la de las estrellas, pero
  contribuyendo menos de un 10 a la masa del disco
  de la Via Lactea.

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Un Sistema Estrella Tipo Solar-Enanas Marrones
Hay enanas marrones orbitando estrellas?

• HR5534,G2V,V5.9, Protacion7.8 d, probable
  miembro del grupo Osa Mayor, edad300 Ma.
• 2 enanas marrones descubiertas con optica
  adaptativa (Hokupaa). Separaciones 32 AU y 2.5
  AU. 8 magnitudes mas debiles que la estrella en
  H (1.6 micras). Potter et al. 2002.

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Un Planera en un Sistema Estelar Triple
Hay planetas orbitando estrellas multiples?

• Dos estrellas G2V casi gemelas.
• V1 5.96, V2 6.20
• Teff15785K, Teff25747K
• Log N(Li)1 1.27, Log N(Li)2 lt0.60 (King
  et al. 1997)
• 16CygA tiene una estrella companhera tipo M5
  (Lloyd et al. 2002)
• 16CygB tiene un planeta con Msini1.5MJup y
  P801d (Cochran et al. 1997)

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Planetas Gigantes en Estrellas de Tipo Solar
Donde estan los exoplanetas descubiertos hasta
hoy?

• Medidas de velocidad radial de alta precision han
  hallado planetas gigantes con separaciones entre
  5 y 0.03 AU.
• Al menos un 2 de las estrellas de tipo solar
  tienen planetas gaseosos.

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Trayectorias Elipticas
Que tipo de trayectorias describen los
exoplanetas?

• Las curvas de velocidad radial son asimetricas
  indicando que las trayectorias orbitales son
  elipticas para la mayoria de los planetas
  gigantes.

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Distribucion de Elipticidades
Entonces, no hay orbitas circulares?

• Los planetas de mas corto periodo tienen
  trayectorias circularizadas.
• Los planetas con periodo gt 10 dias suelen tener
  orbitas elipticas, similar a las estrellas
  binarias.

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Distribucion de Masas
Cuales son las masas de los exoplanetas?

• La funcion de masas crece hacia masas menores.
• No se conocen las masas individuales sino la
  mseni.

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Planetas en Torno a Pulsares
Se ha descubierto algun planeta en el
observatorio de Arecibo ?

• PSR B125712, P6.2 ms, observado en Arecibo
  desde 1990.
• 3 planetas con masas 0.02, 4.3 y 3.9 tierras,
  Wolszczan y Frail 1992.
• Trayectorias orbitales circulares (0.19 AU,0.36
  AU,0.46 AU), coplanaridad, resonancia 32.
  Konacki y Wolszczan 2003.
• Frecuencia 10

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Es la tierra un planeta raro?

• Ntierras(Pestrella_solar_aisladaPtierra)Nestrel
  las_tipo_solar_edad_solar0.300.11083x106
• Posible que haya un planeta tipo tierra dentro de
  100 a.l. (TPF).
• Es la tierra un planeta idoneo para la vida
  organica compleja?

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Discos Circumestelares
Se han obtenido imagenes de exoplanetas?

• Epsilon Eridane, 3.2 pc, edad300Ma
• JCMT, 850 microns, Greaves et al. 1997
• Simulacion de N-cuerpos de un disco circumestelar
  con un planeta igual a Neptuno a 30 AU y
  eccentricidad de e0.3, Quillen et al. 2002

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El Cumulo Sigma Orionis
En que region del cielo estas trabajando?

• Primer estudio realizado por el ilustre astronomo
  del retrato.
• D350pc, edad1-8 Ma.
• Docenas de estrellas de baja masa detectadas en
  rayos X.
• Docenas de enanas marrones.
• Y planetas!

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Diagrama color-magnitud
Como se detectan las enanas marrones en ese
cumulo

• En cumulos estelares abiertos se observa una
  continuidad en las masas de los objetos, desde
  las estrellas, pasando por enanas marrones y
  llegando hasta planetas con masas en torno a 5
  veces las masa de Jupiter.

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Planetas Libres
Pueden existir planetas no asociados a estrellas
?

• Los objetos menos masivos detectados en Orion
  tienen masas estimadas en lt13 MJup, por debajo
  del limite de quema del Deuterio.
• Estos planetas se dispersaran por el disco de la
  Via Lactea al expandirse el cumulo.
• Trayectorias orbitales abiertas.

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La Funcion de Masas Subestelar
Cuantos objetos subestelares hay en el cumulo?

• La Funcion de masas tiene una pendiente positiva
  hacia masas menores y no cambia bruscamente en el
  limite subestelar.
• No se aprecia una caida brusca hasta al menos
  5Mjupiter
• Puede haber tantas enanas marrones y planetas
  aislados como estrellas.

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Tamaños Similares a Jupiter
De que tamaño son las enanas marrones?

• El radio de las enanas marrones es casi costante
  pues estado dominado por la degeneracion de e-.
• La relacion masa-radio es muy suave RR0M-1/8.
• Las enanas marrones y planetas tienen radios
  similares.

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Comparacion Estrellas-Enanas Marrones-Planetas

• Las enanas marrones se contraen
  gravitacionalmente a partir de nubes gaseosas,
  alcanzando radios menores que el de Jupiter en
  una escala de tiempo de unos 1000 Ma.

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Temperaturas
Que temperaturas tienen las enanas marrones?

• Por debajo de unos 4000K se forma H2 . La
  recombinacion de esta molecula favorece la
  inestabilidad convectiva.
• Las enanas marrones se enfrian con el tiempo y
  son totalmente convectivas. Sus propiedades se
  solapan con las de las estrellas menos masivas y
  los planetas gigantes.

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Clasificacion Espectral
Como se clasifican las enanas marrones?

• Dos nuevas clases espectrales para el siglo XXI.
  
• La clase L se caracteriza por el debilitamiento
  del TiO, y la presencia de FeH, CrH y lineas de
  NaI y KI. 2200K-1500K
• La clase T se caracteriza por la presencia de
  CH4.

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La clase hipotetica Y
Se necesitaran mas clases espectrales en el
futuro?

• Un objeto de 35MJupiter pasa de tipo M (10 Ma) a
  tipo T (1000 Ma), a tipo Y?
• Se espera que los espectros cambien con la
  formacion de amoniaco y de agua liquida.

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El caso de S Ori 70 una enana T de baja gravedad
en Orion
KI
Best fit Teff 1100 (200/-100) K
log g 3.5 0.5
Low gravity confirms SOri 70 as a free-floating,
3 Mjup planet. It is a benchmark object for the
study of field T-dwarfs.
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Que clase de planeta es SOri70?

• Se usan adjetivos calificativos para definir la
  ubicacion de planetas pulsar planets,
  solar-system planets, close-in planets.
• SOri70 esta a 180000 AU de la estrella masiva
  Sig Ori.
• Separacion tipica entre los miembros del cumulo
  50000 AU.
• SOri70 es el planeta de cumulo mas frio
  conocido.

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El Ciclo de la Vida Estelar
Como se forman las estrellas?

• Las estrellas se forman en el seno de nubes
  moleculares densas.
• La formacion de enanas marrones y planetas es
  consecuencia del proceso global de la formacion
  estelar.

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Donde se forman las enanas marrones?

• 1) Minicumulo inestable que eyecta los nucleos
  menos masivos. 2) Aisladas (posible influencia de
  radiacion UV) . 3) En discos circumestelares.

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Modelos Hidrodinamicos de Eyeccion de Enanas
Marrones
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Enanas Marrones Binarias
Como se pueden contrastar los modelos teoricos?

• Usando Keck/OA, encontramos una enana marron
  binaria en torno la estrella cercana Gl569.
• La separacion es de 0.1 ( 1 AU) para una
  distancia de 9.8 parsecs.

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Primeras masas dinamicas de enanas marrones

• Parametros orbitales P892d, e0.3, a0.9AU.
• Masas de 0.072 MSun para Gl569B y 0.064 MSun para
  Gl569C.
• Edad 300 Myr, consistente con el grupo de
  movimiento de la Osa Mayor.

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Busquedas de enanas marrones binarias
Cual es la frecuencia de enanas marrones
binarias?

• Usando HST/NICMOS y WFPC2, y OA en telescopios
  de clase 8m hemos observado 150 enanas
  ultrafrias en la vecindad solar y 60 en los
  cumulos alpha Per y Pleyades.
• 15 de binarias, separaciones lt15 AU.

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Conclusiones

• Se ha demostrado que las enanas marrones y
  planetas extrasolares existen.
• Estos objetos se encuentran en lugares
  diferentes, desde el entorno de pulsares hasta
  cumulos estelares abiertos.
• Las enanas marrones y planetas libres son
  numerosos en la vecindad solar. Solo hemos visto
  la punta del iceberg.
• Las enanas marrones binarias permiten contrastar
  los modelos evolutivos y distinguir entre modelos
  de formacion.

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Terminologia Hispana

• Enanas marrones, canelas, café o mulatas ?
• Planetas extrasolares o exoplanetas ?
• Planetas libres o errantes?
• Discos de acrecion o acrecimiento ?
• Es marron un color ?