Астрономы в шоке от обнаружения загадочного газа в глубоком космосе

Астрономы в шоке от обнаружения загадочного газа в глубоком космосе

В атмосфере коричневого карлика Wolf 1130C был обнаружен фосфин, что противоречит ожиданиям и теориям.

Схема тройной системы Wolf 1130ABC, состоящей из красного карлика Wolf 1130A (l), его близкого и компактного белого карлика-компаньона Wolf 1130B (c) и удалённого коричневого карлика-третичного компонента Wolf 1130C (r). Три компонента этой системы показаны в масштабе их относительных размеров. Источник: Адам Бургассер

Фосфор — один из шести основных элементов, благодаря которым на Земле возможна жизнь. При соединении с водородом он образует фосфин (PH3) — высокотоксичный и взрывоопасный газ. Это соединение содержится в атмосферах газовых гигантов Юпитера и Сатурна и долгое время рассматривалось как потенциальная биосигнатура анаэробной жизни. На Земле фосфин естественным образом образуется при разложении органических материалов в болотах, но на других планетах он встречается редко, что вызывает интерес.

Исследовательская группа под руководством профессора астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Сан-Диего Адама Бургассера обнаружила фосфин в атмосфере холодного древнего коричневого карлика, известного как Wolf 1130C. Их результаты были недавно опубликованы в Science.

Команда учёных сделала это открытие с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) — первого инструмента, достаточно мощного для детального анализа этих тусклых объектов с низкой температурой. Удивительно не то, что был обнаружен фосфин, а то, что он отсутствует в других коричневых карликах и экзопланетах-гигантах, где учёные его ожидали обнаружить.

Изучение химического состава древних звёзд

«Наша астрономическая программа под названием Arcana of the Ancients сосредоточена на изучении старых, бедных металлами коричневых карликов, чтобы проверить наши представления о химии атмосферы, — сказал Бургассер. — Одной из наших первых целей было понять, в чём проблема с фосфином».

В нормальных условиях фосфин естественным образом образуется в богатой водородом атмосфере газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн. Поэтому исследователи долгое время предполагали, что он должен существовать и в аналогичных условиях вокруг других звёзд, в том числе коричневых карликов, которые иногда называют «несостоявшимися звёздами», потому что они слишком малы, чтобы сжигать водород, как настоящие звёзды.

Однако в предыдущих наблюдениях с помощью JWST фосфин не был обнаружен, что указывает на то, что в нашем понимании химии фосфора чего-то не хватает. «До появления JWST считалось, что фосфин в изобилии присутствует в атмосферах экзопланет и коричневых карликов, согласно теоретическим предсказаниям, основанным на турбулентном перемешивании, которое, как мы знаем, происходит в этих источниках», — объяснил соавтор исследования Сэм Бейлер, научный сотрудник Тринити-колледжа в Дублине, недавно защитивший докторскую диссертацию в Университете Толедо.

Бейлер, который руководил более ранними исследованиями, посвящёнными именно этому явлению, добавил: «Каждое наблюдение, которое мы проводили с помощью JWST, ставило под сомнение теоретические прогнозы — до тех пор, пока мы не увидели Wolf 1130C».

Необычная система Wolf 1130ABC

Wolf 1130C является частью сложной системы из трёх звёзд, расположенной на расстоянии 54 световых лет от нас в созвездии Лебедя. Коричневый карлик вращается вокруг тесной двойной системы, состоящей из холодной красной звезды (Wolf 1130A) и плотного белого карлика (Wolf 1130B). Эта система давно интересует астрономов, поскольку в Wolf 1130C содержится гораздо меньше «металлов» (элементов тяжелее водорода и гелия), чем в Солнце, что делает её ценной лабораторией для изучения примитивной космической химии.

В отличие от предыдущих наблюдений за коричневыми карликами, данные JWST выявили сильный инфракрасный сигнал от фосфина в атмосфере Wolf 1130C. Чтобы понять, сколько этого газа присутствует в атмосфере, команда обратилась к доценту Эйлин Гонсалес из Государственного университета Сан-Франциско, которая специализируется на моделировании атмосферы.

«Чтобы определить количество молекул в Wolf 1130C, я использовал метод моделирования, известный как атмосферный анализ, — сказал Гонсалес. — Этот метод использует данные JWST, чтобы определить, сколько каждого вида молекулярного газа должно быть в атмосфере. Это всё равно что воссоздать рецепт очень вкусного печенья, когда шеф-повар не хочет его раскрывать».

Её анализ подтвердил, что фосфин присутствует в ожидаемом количестве — около 100 частей на миллиард.

Почему именно этот коричневый карлик, а не другие?

Открытие поднимает новый вопрос: почему этот конкретный коричневый карлик содержит фосфин, в то время как другие нет? Одна из возможностей связана с необычным химическим составом объекта. «Возможно, что в нормальных условиях фосфор связан с другой молекулой, такой как триоксид фосфора», — объяснил Бейлер. «В обедненной металлами атмосфере Wolf 1130C недостаточно кислорода для поглощения фосфора, что позволяет фосфину образовываться из обильного водорода».

Команда планирует проверить эту идею с помощью предстоящих наблюдений JWST за другими бедными металлами коричневыми карликами, чтобы выяснить, проявляется ли такая же закономерность.

Подсказка от умирающей звезды

Другая гипотеза заключается в том, что фосфор мог образоваться локально в системе Wolf 1130ABC, а именно на белом карлике Wolf 1130B. «Белый карлик — это оставшаяся оболочка звезды, которая завершила синтез водорода, — говорит Бургассер. — Они настолько плотные, что при накоплении вещества на их поверхности могут происходить неконтролируемые ядерные реакции, которые мы наблюдаем как вспышки новых звёзд».

Хотя астрономы не наблюдали вспышек новых звёзд в этой системе в последнее время, такие вспышки часто повторяются каждые несколько тысяч лет. Поскольку о Wolf 1130ABC стало известно лишь около века назад, более ранние вспышки могли остаться незамеченными, оставив после себя следы фосфора в окружающем пространстве. Предыдущие исследования показали, что многие атомы фосфора в Млечном Пути могли образоваться в результате этих звёздных взрывов.

Раскрытие тайны происхождения фосфора в космосе

Понимание того, почему в Wolf 1130C обнаружены явные следы фосфина, может дать важную информацию о том, как фосфор образуется в галактике и как он ведёт себя в атмосферах планет. Как объяснил Бургассер, «понимание химических процессов с участием фосфина в атмосферах коричневых карликов, где мы не ожидаем обнаружить жизнь, имеет решающее значение, если мы хотим использовать эту молекулу для поиска жизни на планетах земной группы за пределами Солнечной системы».

Ссылка на журнал:

Адам Дж. Бургассер, Эйлин С. Гонсалес, Сэмюэл А. Бейлер, Чэннон Вишер, Бен Бернингем, Грегори Н. Мейс, Жаклин К. Фаэрти, Цзэнхуа Чжан, Клара Соуза-Сильва, Николя Лодье, Станимир А. Метчев, Аарон Мейснер, Майкл Кушинг, Адам С. Шнайдер, Хенаро Суарес, Чи-Чун Сюй, Роман Герасимов, Кристиан Аганзе, Кристофер А. Тайссен. Наблюдение за наличием необогащённого фосфина в атмосфере низкотемпературного коричневого карлика. Science, 2025; DOI: 10.1126/science.adu0401