Фосфор считают одним из шести ключевых элементов, необходимых для жизни на Земле. При соединении с водородом он образует фосфин (PH3) – высокотоксичный и взрывоопасный газ. Это соединение обнаруживается в атмосферах газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн, и долгое время рассматривалось как потенциальный биосигнатур для анаэробных форм жизни. На Земле фосфин естественным образом образуется в результате разложения органических веществ в болотах, однако на других планетах его присутствие является редким и интригующим явлением.
Недавно исследовательская группа под руководством Адама Бургассера, профессора астрономии и астрофизики из Калифорнийского университета в Сан-Диего, обнаружила фосфин в атмосфере холодного, древнего коричневого карлика Wolf 1130C. Об этом открытии сообщается в журнале Science.
Команда совершила это открытие благодаря космическому телескопу Джеймса Уэбба (JWST) – первому инструменту, обладающему достаточной мощностью для детального анализа этих тусклых, низкотемпературных объектов. Удивительным оказалось не само обнаружение фосфина, а то, что он, по всей видимости, отсутствует на других коричневых карликах и газовых гигантах, где ученые ожидали его найти.
«Наша астрономическая программа, названная Arcana of the Ancients, сосредоточена на старых, бедных металлами коричневых карликах как на способе проверки нашего понимания химии атмосферы», – пояснил Адам Бургассер. – «Разгадка проблемы с фосфином была одной из наших первоочередных целей».
В обычных условиях фосфин естественным образом образуется в богатых водородом атмосферах газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн. Исходя из этого, исследователи долгое время предполагали его наличие и в аналогичных средах вокруг других звезд, включая коричневые карлики, которые иногда называют «несостоявшимися звездами», поскольку они слишком малы для термоядерного синтеза водорода, свойственного настоящим звездам.
Однако фосфин оставался незамеченным при предыдущих наблюдениях телескопа JWST, что указывало на возможные пробелы в понимании химии фосфора. «До появления JWST фосфин ожидался в изобилии в атмосферах экзопланет и коричневых карликов, согласно теоретическим предсказаниям, основанным на известном нам турбулентном смешении в этих источниках», – пояснил соавтор исследования Сэм Бейлер, постдокторант Тринити-колледжа в Дублине, недавно получивший докторскую степень в Университете Толедо.
Бейлер, руководивший предыдущими исследованиями, посвященными как раз этому отсутствию, добавил: «Каждое наблюдение, полученное с помощью JWST, бросало вызов теоретическим предсказаниям – ровно до тех пор, пока мы не наблюдали Wolf 1130C».
Объект Wolf 1130C входит в состав сложной тройной звездной системы, 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. Астрономы давно проявляют интерес к этой системе, поскольку Wolf 1130C содержит значительно меньше «металлов» (элементов тяжелее водорода и гелия), чем Солнце. Это делает его ценной лабораторией для изучения первичной космической химии.
В отличие от предыдущих наблюдений коричневых карликов, данные телескопа JWST выявили сильный инфракрасный сигнал от фосфина в атмосфере Wolf 1130C. Чтобы определить количество этого газа, команда обратилась к доценту Айлин Гонсалес из Университета штата Сан-Франциско, специализирующейся на атмосферном моделировании.
«Для определения содержания молекул в Wolf 1130C я использовала метод моделирования, известный как атмосферные извлечения», – рассказала Гонсалес. – «Эта техника использует данные JWST для обратного расчета количества каждого вида молекулярного газа, которое должно присутствовать в атмосфере. Это похоже на обратное проектирование очень вкусного печенья, когда шеф-повар не выдает рецепт».
Ее анализ подтвердил наличие фосфина в предсказанном количестве – примерно 100 частей на миллиард.
Это открытие ставит новый вопрос: почему именно этот коричневый карлик содержит фосфин, тогда как другие не содержат? Одна из возможных причин кроется в необычном химическом составе объекта. «Возможно, в нормальных условиях фосфор связан с другой молекулой, такой как триоксид фосфора», – пояснил Бейлер. – «В обедненной металлами атмосфере Wolf 1130C недостаточно кислорода, чтобы связать фосфор, что позволяет фосфину образовываться из изобилующего водорода».
Команда планирует проверить эту гипотезу с помощью предстоящих наблюдений других бедных металлами коричневых карликов телескопом JWST, чтобы выяснить, проявляется ли та же закономерность.
Другая гипотеза предполагает, что фосфор мог образоваться локально внутри системы Wolf 1130ABC, в частности, благодаря ее белому карлику, Wolf 1130B. «Белый карлик – это остаточная оболочка звезды, которая завершила термоядерное слияние водорода», – пояснил Бургассер. – «Они настолько плотны, что при аккреции материала на их поверхность могут происходить неконтролируемые ядерные реакции, которые мы обнаруживаем как новые».
Хотя астрономы не наблюдали событий новых в этой системе в недавней истории, такие вспышки часто повторяются каждые несколько тысяч лет. Поскольку о системе Wolf 1130ABC известно лишь около столетия, более ранние извержения могли остаться незамеченными, оставив следы фосфора в окружающем пространстве. Предыдущие исследования предполагают, что многие атомы фосфора в Млечном Пути могли возникнуть в результате подобных звездных взрывов.
Понимание того, почему Wolf 1130C содержит явные доказательства наличия фосфина, может дать важные сведения о том, как фосфор образуется в галактике и как он ведет себя в атмосферах планет. Как объяснил Бургассер, «понимание химии фосфина в атмосферах коричневых карликов, где мы не ожидаем обнаружить жизнь, имеет решающее значение, если мы надеемся использовать эту молекулу в поисках жизни на землеподобных мирах за пределами нашей Солнечной системы».
Исследование было поддержано NASA/STScI (NAS 5-03127 и AR-2232) и Фондом Хайзинга-Саймонса.
