Usando la "prueba de litio" para distinguir estrellas de baja masa y enanas marrones

La "prueba de litio" para una enana marrón implica medir dos cosas: el contenido de litio y el tipo espectral (un indicador de la temperatura de la superficie) o la luminosidad. Pero es posible que también necesite saber (o suponer) algo sobre la edad del objeto. El método es útil porque las trayectorias de las estrellas de baja masa y las enanas marrones se juntan muy de cerca en el plano de luminosidad versus Teff habitual del diagrama de Hertzsprung-Russell. Además de la considerable incertidumbre en la ubicación de estas huellas, uno realmente necesita saber la edad de un objeto para que su luminosidad o Teff conduzca incluso a una estimación de masa cruda y, por lo tanto, se persigue la prueba de Li.

Li se quema completa y rápidamente en un objeto de baja masa completamente convectivo, una vez que la temperatura central alcanza los 3 millones de grados. El tiempo que tarda una estrella anterior a la secuencia principal en contracción (o algunas enanas marrones) en alcanzar esta temperatura depende de la masa. Se necesitan unos 20 millones de años a 0,2 masas solares, unos 120 millones de años a 0,075 masas solares (aproximadamente el límite entre las estrellas y las enanas marrones que nunca se calentarán lo suficiente como para fusionar hidrógeno), y si el objeto está por debajo de 0,06 masas solares , nunca se deshace de su Li. La física de este proceso se comprende bien y, por lo tanto, se ha convertido en una herramienta muy útil y confiable para la estimación de masa y edad.

Al mismo tiempo que esto sucede, la temperatura superficial y la luminosidad también son diagnósticos de masa, pero de forma dependiente de la edad. Un tipo espectral M7 está en el límite de la enana marrón a unos 120 millones de años, pero un tipo espectral similar en un objeto más antiguo y luminoso significaría que es más masivo.

Entonces, históricamente, la prueba de Li se aplicó a objetos de baja masa en el cúmulo de las Pléyades (ver Rebolo et al. 1996 ), que tiene una edad de alrededor de 120 millones de años. Los objetos con tipos espectrales más fríos que M7 a esa edad deberían ser enanas marrones. Esto se confirmó al encontrar a Li en sus atmósferas.

La prueba de Li no es un indicador completamente inequívoco de si un objeto de edad desconocida es una estrella o una enana marrón. Tanto las estrellas como las enanas marrones pueden tener tipos espectrales M6.5-L2, pero una estrella sería más antigua con el mismo tipo espectral. Si ha medido la luminosidad (o el tipo espectral) de un objeto y sabe si tiene litio o no, esto proporciona una restricción tanto en la masa como en la edad. El siguiente diagrama, de Basri et al. (1998) , creo que es lo más claro posible.

Las curvas más o menos diagonales son las pistas a lo largo de las cuales evolucionan las estrellas de baja masa y las enanas marrones de la masa etiquetada (enfriándose con la edad). La región discontinua diagonal muestra el área de la gráfica de temperatura versus edad donde se espera que se agote el Li. He etiquetado los tipos espectrales equivalentes. El área punteada (punteada) marca dónde la presencia de Li garantiza que tienes una enana marrón con masa$<$0,075 masas solares.

Por lo tanto, un objeto M6.5 con Li podría ser una enana marrón o una estrella de menos de 140 millones de años, pero un objeto M6.5 sin Li es una estrella. Una enana M8 con Li es una enana marrón con una edad inferior a 200 millones de años, pero una enana M8 sin Li podría ser una enana marrón más masiva con una edad de poco más de 200 millones de años o una estrella más antigua de baja masa. En el tipo espectral L0-L2, un objeto con Li será una enana marrón si su edad es inferior a 500-1000 Myr, pero aún podría ser una enana marrón con una masa superior a 0,06 masas solares con una edad un poco mayor que esta. o una estrella de baja masa aún más antigua. Los objetos más fríos que L2 son siempre enanas marrones y siempre tienen Li, pero esta prueba puede fallar a temperaturas mucho más frías (más frías que L8) porque los átomos de Li forman moléculas de LiCl y LiOH, la línea atómica Li I en 6708A desaparece del espectro.

Se puede hacer un diagrama similar con la luminosidad en el eje y y, de hecho, eso es más seguro, ya que el agotamiento de Li en función de la luminosidad es mucho más fácil de predecir que el comportamiento de la temperatura efectiva, que depende mucho de los detalles de la atmósfera. Por supuesto, para medir una luminosidad necesitas la distancia al objeto.

Hoy en día, es más probable que la presencia de Li en una atmósfera de objetos de baja masa se utilice como un indicador de edad, en lugar de como indicador de masa. Por ejemplo, si uno ve a Li en un objeto M7, es probable que tenga menos de 120 millones de años (y viceversa). Se cree que la predicción del agotamiento de Li, particularmente en función de la luminosidad o el tipo espectral, es más segura que predecir la posición de dicho objeto en el diagrama HR. Esto forma la base del método de determinación de la edad límite del agotamiento del litio para los cúmulos.

Para resumir

1. Un objeto con un tipo espectral de M8 o más frío con Li es una enana marrón subestelar.

2. Un objeto con Li pero con un tipo espectral más cálido debe ser una enana marrón si es más joven que un cierto umbral de edad (por ejemplo, alrededor de 50 millones de años para el tipo M6).

3. Un objeto más joven que$\sim 150$Myr sin Li debe ser una estrella.

4. Un objeto más frío que el tipo espectral L2 debe ser una enana marrón, tenga Li o no.