Fig. 1: Foto della coppia di stelle Gliese 229 a e b, ottenuta con il telescopio di 1,5 metri di Monte Palomar; la stella brillante a sinistra è la nana rossa Gliese 229a, quella molto più debole, quasi nel centro è la nana bruna BD Gliese 229b. Il getto luminoso sotto di essa è un effetto strumentale dovuto alla diffusione della luce da parte del sostegno dello specchio secondario del telescopio. (Credit: Foto Caltech; 29/11/1995)

Le stelle di massa minore di 0.075 masse solari durante la loro contrazione iniziale trasformano la parte centrale in materia degenere prima che essa raggiunga una temperatura di 8 milioni di gradi Kelvin, necessaria ad innescare la trasformazione dell'idrogeno in elio, come avviene per le stelle della sequenza principale.
Se la massa è superiore a 0.013 masse solari, nel nucleo si ha una temperatura più alta di 500 mila K, che permette la reazione termonucleare del deuterio (d) che si combina con un protone (p): (d + p He³ + gamma); a temperature di pochi milioni di gradi altri elementi leggeri (litio, berillio e boro), reagendo con l'idrogeno, si trasformano in He³ e He⁴.
A causa della modesta quantità di deuterio e degli altri elementi leggeri le BD raggiungono il massimo splendore per pochi milioni di anni, poi lentamente si raffreddano. Essendo difficilmente osservabili quando la loro età è avanzata, è più probabile che vengano trovate in ammassi stellari aperti, che sono relativamente giovani.

Fig. 2: Confronto fra lo spettro di una stella normale di piccola massa (in giallo) e quello della nana bruna PPL 15 (in rosso), in cui è ben visibile una riga del litio.

Le BD possono essere identificate tramite le loro caratteristiche spettrali, per esempio la presenza delle righe del metano e del litio, che le distinguono dalle stelle normali; le righe del litio sono presenti nelle BD con una temperatura superficiale inferiore a 1600 gradi Kelvin e una massa inferiore a 0.06 masse solari, come la stella PPL 15 (vedi Fig. 1); il nucleo di questa non raggiunge mai la temperatura di 2 milioni di gradi, necessaria a far combinare il litio con l'idrogeno, formando elio.
Lo studio di questi oggetti sfuggenti è attualmente una delle aree di ricerca più dinamiche in astronomia; nelle galassie potrebbero essere altrettanto numerose quanto le stelle della sequenza principale e contribuire, in parte, alla "materia oscura barionica" dell'Universo.