A brown dwarf is a substellar object that lacks sufficient mass for sustained hydrogen fusion.Les naines brunes comblent le fossé entre les planètes géantes et les véritables étoiles. Leurs masses se situent dans une fourchette allant d'environ 13 à 75 masses de Jupiter. Contrairement aux planètes, elles sont capables d'une brève fusion du deutérium au début de leur vie, mais la fusion de l'hydrogène leur est inaccessible. Les atmosphères de ces objets sont assez froides (de 300 à 2500 K), des poussières de silicates et de fer s'y condensent. Selon les spectres, on distingue les classes L (chaudes, avec des raies métalliques et de la poussière) à T (plus froides, avec des bandes de méthane) puis Y – les plus faibles, avec une température inférieure à 500 K.
La prédiction théorique a été faite par Shiv Kumar en 1963, introduisant le terme de « naine noire » pour les objets de masse inférieure à 0,07 M_⊙. En 1975, Jill Tarter a proposé le nom de « naine brune ». La première découverte confirmée a eu lieu en 1995 : Teide Owen et ses collègues ont détecté Gliese 229 B à l'observatoire du Mont Palomar. Par la suite, Subrahmanyan Chandrasekhar a apporté une contribution fondamentale en calculant la masse limite pour les corps dégénérés – la limite de Chandrasekhar, qui, bien que supérieure aux masses des naines brunes, a jeté les bases de la description de leur structure interne.
L'objet se forme comme une étoile, par fragmentation d'un nuage moléculaire et accrétion. Lors de la contraction, la température augmente dans le noyau ; si la masse est inférieure au seuil, la dégénérescence des électrons survient avant que la température du cycle pp (~3×10⁶ K) ne soit atteinte. La contraction ultérieure est ralentie par la pression des électrons dégénérés. Toute réaction de fusion thermonucléaire amorcée dans la phase de deutérium ou de lithium épuise rapidement le combustible, car la température baisse à mesure que le noyau se dilate. Ensuite, la luminosité de l'objet n'est maintenue que par la libération d'énergie gravitationnelle et le refroidissement progressif. Les courbes de refroidissement sont décrites par les solutions des équations de structure stellaire en tenant compte de l'équation d'état dégénérée ; le temps caractéristique de refroidissement est de plusieurs dizaines de milliards d'années.
Les naines brunes servent de laboratoires naturels pour étudier les atmosphères des planètes géantes et des étoiles – elles ont des températures intermédiaires et les mêmes molécules : méthane, vapeur d'eau, monoxyde de carbone.
La première naine brune découverte, Gliese 229 B, a une température d'environ 950 K seulement – plus froide que la flamme d'une bougie, bien qu'elle n'émette pas de lumière visible mais infrarouge.
