Os planetas desonestos já nasceram isolados?

Estou usando o termo "planeta desonesto" aqui para significar algo de massa no nível do planeta que não está orbitando em torno de uma estrela. Discussões populares sobre esses objetos sempre as descrevem como se formando em torno de uma estrela e sendo ejetadas por interação gravitacional com outros planetas. Mas eu pensaria que, em princípio, eles poderiam se formar no espaço interestelar apenas pelo colapso de uma nuvem suficientemente pequena de poeira e gás.

Percebo que uma nuvem pequena terá menos gravidade própria e, portanto, levaria mais tempo para entrar em colapso [veja as respostas para uma correção dessa suposição] e ter uma chance maior de ser interrompida por outras forças. Mas foi feita uma análise teórica do objeto de massa mínima que se poderia formar isoladamente ao longo do período de vida atual do universo? Seria uma coincidência surpreendente desse limiar mínimo ter a mesma massa que a massa necessária para a fusão de hidrogênio.

A massa mínima de um "planeta" que se forma a partir de uma nuvem de gás (as definições do que é um planeta são escorregadias e alguns diriam que não é um planeta) não é determinada pelo tempo disponível. O processo de colapso é rápido - menos de um milhão de anos. Porém, existe uma massa mínima, e o que você está se referindo é algo conhecido como limite de fragmentação .

Uma nuvem se torna instável e cai se sua massa exceder a massa de Jeans . A massa de Jeans depende da temperatura na potência de 3/2 e inversamente na raiz quadrada da densidade das nuvens. Quando uma nuvem de gás colapso, sua densidade aumenta. Se for capaz de irradiar o calor com eficiência, sua temperatura poderá permanecer mais ou menos constante e, assim, a massa de Jeans diminuirá . Isso permite que a nuvem se fragmente em pedaços menores.

$$M_J \propto \frac{T^{3/2}}{\rho^{1/2}}$$

A massa mínima que pode colapsar isoladamente será, portanto, definida pelo menor valor que a massa Jeans pode atingir à medida que o colapso prossegue. Por sua vez, esse limite de fragmentação é definido pela nuvem se tornar opaca à sua própria radiação, o que ocorre quando a densidade se torna grande o suficiente. Nesse ponto, a nuvem não pode mais se livrar com eficiência de todo o calor gerado em seu interior pelo trabalho realizado pela gravidade ao esmagá-la. A temperatura aumenta e a massa do Jeans para de diminuir. Agora, a nuvem ainda pode entrar em colapso, mas não quebrará em pedaços menores.

O limite de fragmentação é difícil de calcular com precisão, porque depende da dinâmica turbulenta 3D de uma nuvem em colapso e também se a nuvem está girando. Pensa-se geralmente que esteja na faixa de uma a poucas vezes a massa de Júpiter (por exemplo, Whitworth e Stamatellos 2006 ). Isso está muito abaixo da massa mínima para fusão de hidrogênio de cerca de 75 massas de Júpiter ou fusão de deutério de cerca de 13 massas de Júpiter.

A evidência de que esses objetos podem existir pode ser encontrada nas respostas às perguntas relacionadas. Como os planetas desonestos são descobertos? e Existe alguma evidência concreta de que existem planetas não autorizados?

Os astrônomos chamam o tipo de objeto que você está descrevendo - um que se condensou a partir de uma nebulosa isolada, mas era pequeno demais para sofrer a fusão de hidrogênio - uma anã sub-marrom . Eles são bastante difíceis de detectar, como você pode imaginar, uma vez que "brilham" apenas com o calor de sua formação, muito pouco no infravermelho (a página da Wikipedia se refere a alguns que orbitam outras estrelas e, portanto, podem ser classificados como planetas).

Teoriza-se que exista um limite inferior em sua massa de cerca de 1 massa de Júpiter, porque massas menores não poderiam se condensar isoladamente de uma nuvem interestelar. Alguns candidatos anãs sub-marrons foram detectados e listados na página vinculada da Wikipedia; a incerteza em sua massa é alta (deve ser inferida a partir de sua temperatura e idade suspeita). WISE-0855 é a anã sub-marrom menor, mais fria e mais próxima em isolamento observada até o momento, estimada em 3-10x a massa de Júpiter.