Фосфор — один из шести ключевых элементов, необходимых для жизни на Земле. В сочетании с водородом фосфор образует молекулу фосфина (PH₃) — взрывоопасный, высокотоксичный газ.
Фосфин был обнаружен в атмосферах газовых гигантов — планет Юпитер и Сатурн. Долгое время его считали возможным биосигналом анаэробной жизни, поскольку в атмосферах земных планет естественных источников этого газа мало. На Земле фосфин — побочный продукт разложения органических веществ в болотах.
Группа исследователей под руководством профессора астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Сан-Диего Адама Бургассера сообщила об обнаружении фосфина в атмосфере холодного древнего бурого карлика по имени Wolf 1130C. Их работа [опубликована](https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu0401) в журнале Science.
Фосфин был обнаружен в атмосфере Wolf 1130C с помощью наблюдений, полученных с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) — первого телескопа, обладающего чувствительностью для детального изучения этих небесных объектов.
Тайна заключается не в том, почему фосфин был найден, а в том, почему его нет в атмосферах других бурых карликов и газовых гигантов-экзопланет.
«Наша астрономическая программа, названная Arcana of the Ancients, фокусируется на старых бурых карликах с низким содержанием металлов, чтобы проверить наше понимание химии атмосферы», — сказал ведущий автор Бургассер. «Понимание проблемы с фосфином было одной из наших первых целей».
В атмосферах газовых гигантов, богатых водородом, таких как Юпитер и Сатурн, фосфин образуется естественным путём. Поэтому учёные давно предсказывали, что фосфин должен присутствовать в атмосферах газовых гигантов, вращающихся вокруг других звёзд, и в их более массивных «родственниках» — бурых карликах, объектах, иногда называемых «несостоявшимися звёздами», потому что они не сливают водород.
Однако фосфин в значительной степени ускользал от обнаружения, даже в предыдущих наблюдениях JWST, что указывает на проблемы с нашим пониманием химии фосфора.
«До JWST предполагалось, что фосфин будет в изобилии присутствовать в атмосферах экзопланет и бурых карликов, основываясь на теоретических предсказаниях, основанных на турбулентном перемешивании, которое, как мы знаем, существует в этих источниках», — сказал соавтор Сэм Бейлер, который окончил Университет Толедо и сейчас является докторантом в Тринити-колледже в Дублине.
Бейлер, который руководил предыдущей работой по изучению отсутствия фосфина у бурых карликов, заявил: «Каждое наблюдение, которое мы получили с помощью JWST, ставило под сомнение теоретические предсказания — до тех пор, пока мы не наблюдали Wolf 1130C».
В звёздной системе Wolf 1130ABC, расположенной в 54 световых годах от Солнца в созвездии Лебедя, бурый карлик Wolf 1130C следует по широкой орбите вокруг тесной двойной звёздной системы, состоящей из холодной красной звезды (Wolf 1130A) и массивного белого карлика (Wolf 1130B).
Wolf 1130C является излюбленным источником для астрономов, изучающих бурых карликов, из-за низкого содержания «металлов» — любых элементов, кроме водорода и гелия, по сравнению с Солнцем.
В отличие от других бурых карликов, команда легко обнаружила фосфин в инфракрасных спектральных данных JWST для Wolf 1130C. Чтобы полностью понять значение своих выводов, они должны были количественно определить содержание этого газа в атмосфере Wolf 1130C. Это сделала Эйлин Гонсалес, доцент кафедры астрономии в Государственном университете Сан-Франциско, также соавтор исследования.
«Чтобы определить содержание молекул в Wolf 1130C, я использовала метод моделирования, известный как атмосферные выборки», — объяснила Гонсалес. «Этот метод использует данные JWST, чтобы определить, сколько каждого вида молекулярного газа должно быть в атмосфере. Это похоже на обратную разработку действительно вкусного печенья, когда шеф-повар не раскрывает рецепт».
Модели Гонсалес показали, что обильный фосфин был секретным ингредиентом Wolf 1130C. В частности, она обнаружила, что фосфин присутствует в прогнозируемом теоретическом количестве около 100 частей на миллиард.
Хотя исследователи в восторге от своего открытия, оно поднимает вопрос: почему фосфин присутствует в атмосфере этого бурого карлика, а не других?
Одна из возможностей — низкое содержание металлов в атмосфере Wolf 1130C, которое может изменить её химию. «Возможно, в нормальных условиях фосфор связан в другой молекуле, такой как триоксид фосфора», — объяснил Бейлер. «В обеднённой металлами атмосфере Wolf 1130C недостаточно кислорода, чтобы связать фосфор, что позволяет фосфину образовываться из обильного водорода».
Команда надеется изучить эту возможность с помощью новых наблюдений JWST, которые будут искать фосфин в атмосферах других бедных металлами бурых карликов.
Другая возможность заключается в том, что фосфор был создан локально в системе Wolf 1130ABC, в частности, её белым карликом, Wolf 1130B.
«Белый карлик — это оставшаяся оболочка звезды, которая закончила сливать свой водород», — объяснил Бургассер. «Они настолько плотные, что, когда они накапливают материал на своей поверхности, они могут подвергаться неконтролируемым ядерным реакциям, которые мы обнаруживаем как вспышки новых».
Хотя астрономы не видели свидетельств подобных событий в системе Wolf 1130ABC в недавней истории, вспышки новых обычно имеют циклы вспышек от тысяч до десятков тысяч лет. Эта система известна чуть более века, и ранние, невидимые вспышки могли оставить наследие фосфорного загрязнения.
Более ранние исследования показали, что значительная часть фосфора в Млечном Пути могла быть синтезирована этим процессом.
Понимание того, почему этот бурый карлик демонстрирует чёткую сигнатуру фосфина, может привести к новому пониманию синтеза фосфора в Млечном Пути и его химии в атмосферах планет.
Бургассер объясняет: «Понимание химии фосфина в атмосферах бурых карликов, где мы не ожидаем жизни, имеет решающее значение, если мы надеемся использовать эту молекулу для поиска жизни на землеподобных планетах за пределами нашей Солнечной системы».
Предоставлено [University of California — San Diego](https://phys.org/partners/university-of-california—san-diego/)