Detecção de fosfina na atmosfera de uma anã marrom levanta mais questões

Astrônomos encontraram o gás elusivo em Wolf 1130C, mas se perguntam por que ele não é mais prevalente em outras anãs marrons

Esquema do sistema triplo Wolf 1130ABC, composto pela estrela anã vermelha Wolf 1130A, a sua companheira compacta e íntima, a anã branca Wolf 1130B, e a terceira componente, a distante anã castanha Wolf 1130C. Os três componentes deste sistema são vistos à escala dos seus tamanhos relativos. Crédito: Adam Burgasser

O fósforo é um dos seis elementos-chave necessários à vida na Terra. Quando combinado com hidrogênio, o fósforo forma a molécula fosfina (PH3 ) , um gás explosivo e altamente tóxico. Encontrada nas atmosferas dos planetas gigantes gasosos Júpiter e Saturno, a fosfina é há muito reconhecida como uma possível bioassinatura para a vida anaeróbica, visto que existem poucas fontes naturais desse gás nas atmosferas dos planetas terrestres. Na Terra, a fosfina é um subproduto da decomposição de matéria orgânica de pântanos.

Agora, uma equipe de pesquisadores, liderada pelo professor de Astronomia e Astrofísica da Universidade da Califórnia em San Diego, Adam Burgasser, relatou a detecção de fosfina na atmosfera de uma anã marrom fria e antiga chamada Wolf 1130C. O trabalho deles foi publicado na Science .

A fosfina foi detectada na atmosfera de Wolf 1130C usando observações obtidas com o Telescópio Espacial James Webb (JWST), o primeiro telescópio com sensibilidade para observar esses objetos celestes em detalhes. O mistério, no entanto, não é por que a fosfina foi encontrada, mas por que ela está ausente em outras atmosferas de exoplanetas anãs marrons e gigantes gasosos.

“Nosso programa de astronomia, chamado Arcana of the Ancients, concentra-se em anãs marrons antigas e pobres em metais como forma de testar nossa compreensão da química atmosférica”, disse o autor principal Burgasser. “Entender o problema com a fosfina foi um dos nossos primeiros objetivos.”

Nas atmosferas ricas em hidrogênio de planetas gigantes gasosos como Júpiter e Saturno, a fosfina se forma naturalmente. Assim, os cientistas há muito previram que a fosfina deveria estar presente nas atmosferas de gigantes gasosos que orbitam outras estrelas e em suas primas mais massivas, as anãs marrons — objetos às vezes chamados de "estrelas fracassadas" por não fundirem hidrogênio.

No entanto, a fosfina tem escapado amplamente à detecção, mesmo em observações anteriores do JWST, sugerindo problemas com nossa compreensão da química do fósforo. "Antes do JWST, esperava-se que a fosfina fosse abundante nas atmosferas de exoplanetas e anãs marrons, seguindo previsões teóricas baseadas na mistura turbulenta que sabemos existir nessas fontes", disse o coautor Sam Beiler, recém-formado pela Universidade de Toledo e atualmente pesquisador de pós-doutorado no Trinity College Dublin.

Beiler, que liderou trabalhos anteriores estudando a falta de fosfina em anãs marrons, declarou: "Todas as observações que obtivemos com o JWST desafiaram as previsões teóricas — até observarmos Wolf 1130C".

No sistema estelar Wolf 1130ABC, localizado a 54 anos-luz do Sol na constelação de Cygnus, a anã marrom Wolf 1130C segue uma órbita ampla em torno de um sistema estelar duplo compacto, composto por uma estrela vermelha fria (Wolf 1130A) e uma anã branca massiva (Wolf 1130B). Wolf 1130C tem sido uma fonte favorita para astrônomos de anãs marrons devido à sua baixa abundância de "metais" – essencialmente quaisquer elementos além de hidrogênio e hélio – em comparação com o Sol.

Ao contrário de outras anãs marrons, a equipe identificou facilmente fosfina nos dados espectrais infravermelhos do JWST de Wolf 1130C. Para compreender completamente as implicações de suas descobertas, eles precisaram quantificar a abundância desse gás na atmosfera de Wolf 1130C. Isso foi feito pela Professora Assistente de Astronomia da Universidade Estadual de São Francisco, Eileen Gonzales, também coautora do estudo.

Comparação das observações do espetro infravermelho de Wolf 1130C obtido pelo Webb (linha azul clara) e de uma anã castanha típica (linha cinzenta). A deteção de fosfina é realçada no painel ampliado à direita, que compara o espetro de Wolf 1130C (linha azul clara) com o de fosfina pura (linha verde). Crédito: Adam Burgasser

"Para determinar a abundância de moléculas em Wolf 1130C, usei uma técnica de modelagem conhecida como recuperações atmosféricas", explicou Gonzales. "Essa técnica usa os dados do JWST para calcular a quantidade de cada espécie de gás molecular que deveria estar na atmosfera. É como fazer engenharia reversa de um biscoito realmente delicioso, quando o chef não quis revelar a receita."

Os modelos de Gonzales mostraram que a fosfina abundante era o ingrediente secreto em Wolf 1130C. Especificamente, ela descobriu que a fosfina era o ingrediente secreto de Wolf 1130C.

Embora os pesquisadores estejam felizes com a descoberta, ela levanta uma questão: por que a fosfina está presente na atmosfera desta anã marrom e não em outras?

Uma possibilidade é a baixa abundância de metais na atmosfera de Wolf 1130C, o que pode alterar sua química subjacente. "Pode ser que, em condições normais, o fósforo esteja ligado a outra molécula, como o trióxido de fósforo", explicou Beiler. "Na atmosfera pobre em metais de Wolf 1130C, não há oxigênio suficiente para absorver o fósforo, permitindo a formação de fosfina a partir do hidrogênio abundante."

A equipe espera explorar essa possibilidade com novas observações do JWST que buscarão fosfina nas atmosferas de outras anãs marrons pobres em metais.

Outra possibilidade é que o fósforo tenha sido gerado localmente no sistema Wolf 1130ABC, especificamente por sua anã branca, Wolf 1130B.

"Uma anã branca é a casca restante de uma estrela que terminou de fundir seu hidrogênio", explicou Burgasser. "Elas são tão densas que, ao acumularem material em sua superfície, podem sofrer reações nucleares descontroladas, que detectamos como novas."

Embora os astrônomos não tenham observado evidências de tais eventos no sistema Wolf 1130ABC na história recente, as novas normalmente apresentam ciclos de explosão de milhares a dezenas de milhares de anos. Este sistema é conhecido há pouco mais de um século, e explosões precoces e inéditas podem ter deixado um legado de poluição por fósforo. Estudos anteriores propuseram que uma fração significativa do fósforo na Via Láctea poderia ter sido sintetizada por esse processo.

Entender por que esta anã marrom apresenta uma assinatura clara de fosfina pode levar a novos insights sobre a síntese de fósforo na Via Láctea e sua química em atmosferas planetárias. Burgasser explicou: "Compreender a química da fosfina nas atmosferas de anãs marrons onde não esperamos vida é crucial se quisermos usar esta molécula na busca por vida em mundos terrestres além do nosso sistema solar."

Universidade da Califórnia em San Diego