Una nana bruna è un corpo al limite dell’essere un pianeta molto grande o una stella molto piccola. Le nane brune vanno da 13 a circa 90 masse di Giove. L’Unione Astronomica Internazionale pone il confine tra grandi pianeti e piccole nane brune a 13 masse di Giove, perché questa è la soglia di massa necessaria per la fusione del deutrio.
Il deutrio è un isotopo dell’idrogeno che include un neutrone nel nucleo, piuttosto che solo un protone come nel comune idrogeno, ed è il tipo di atomo più facile da fondere. Poiché il deutrio è piuttosto raro rispetto all’idrogeno comune – 6 atomi su 10,000 per Giove, per esempio – non è presente abbastanza per la formazione di una vera stella, e quindi le nane brune sono spesso chiamate “stelle fallite”.
A circa 0.075 masse solari, o 90 masse di Giove, le nane brune diventano in grado di fondere il normale idrogeno, anche se a un ritmo molto più lento rispetto alle stelle della sequenza principale come il nostro Sole, rendendole nane rosse, stelle con circa 1/10,000 di luminosità solare. Le nane brune in generale mostrano poca o nessuna luminosità, generando calore principalmente attraverso gli elementi radioattivi contenuti al loro interno, così come la temperatura dovuta alla compressione. Poiché le nane brune sono molto deboli, è difficile osservarle da lontano e se ne conoscono solo poche centinaia. La prima nana bruna è stata confermata nel 1995. Un nome alternativo proposto per le nane brune era “substar”.
Una proprietà interessante delle nane brune è che hanno tutte quasi lo stesso raggio – circa quello di Giove – con una variazione tra il 10% e il 15%, anche se la loro massa varia fino a 90 volte quella di Giove. Nella gamma bassa della scala di massa, il volume della nana bruna è determinato dalla pressione di Columb, che determina anche il volume dei pianeti e di altri oggetti di piccola massa. All’intervallo più alto della scala di massa, il volume è determinato dalla pressione di degenerazione degli elettroni, ovvero gli atomi vengono premuti il più vicino possibile tra loro senza che i gusci degli elettroni collassino.
La fisica di queste due disposizioni è tale che, all’aumentare della densità, il raggio viene approssimativamente mantenuto. Quando si aggiunge ulteriore massa oltre i limiti superiori delle masse delle nane brune, il volume ricomincia ad aumentare, producendo grandi corpi celesti con raggi più vicini a quello del nostro Sole.