8 Minutės
Discovery at a glance
Tarptautinė tyrėjų grupė, vadovaujama astrofiziko Adamo Burgasserio (Kalifornijos universitete, San Diege), pranešė apie aiškų fosfino (PH3) aptikimą nykštukinės masės objekte Wolf 1130C, esančiame maždaug už 54 šviesmečių nuo Žemės. Šis rudasis nykštukas — labai senas objektas, kurio amžius vertinamas daugiau nei 10 milijardų metų — demonstruoja fosfino kiekį maždaug šimtmečio dalių per milijardą (apie 100 part per billion). Tai pirmasis tvirtas PH3 aptikimas rudosios nykštukės atmosferoje, atitinkantis kiekius, kuriuos prognozuoja vyraujantys atmosferos chemijos modeliai.
Why this detection matters for phosphorus chemistry and astrobiology
Fosfinas sulaukė didelio dėmesio kaip galimas biosignalas, nes Žemėje jis daugiausia susidaro anaerobinių mikroorganizmų veiklos dėka. 2020 m. pranešimas apie PH3 aptikimą Veneros atmosferoje paskatino intensyvias diskusijas dėl nebiologinių fosfino susidarymo kelių ir apie tai, kaip reikėtų interpretuoti tokius radinius. Už Saulės sistemos ribų fosfinas yra žinomas Jupiteryje ir Saturne; ten jis susidaro giliai karštose, aukšto slėgio zonose ir vėliau konvekcijos pagalba yra pernešamas aukštyn.
PH3 radinys Wolf 1130C, esant kiekiams, panašiems į Jupiteryje ir Saturne aptinkamus lygius, patvirtina, kad tam tikromis sąlygomis fosforo chemija vyksta taip, kaip prognozuoja modeliai. Tačiau platesnis vaizdas yra sudėtingesnis: daugelis paieškų kitose rudosiose nykštukėse ir milžiniškuose egzoplanetų atmosferose, naudodami tiek žemės paviršiaus teleskopus, tiek James Webb kosminį teleskopą (JWST), nerado PH3 laukiamais lygiais. Ši neatitikimų schema rodo, kad mūsų supratymo apie tai, kaip fosforą turinčios molekulės susidaro ir išsilaiko vandenilio turtingose žemos temperatūros atmosferose, trūksta tam tikrų komponentų.
Kadangi fosfinas gali kilti tiek iš biologinių, tiek iš abiotinių procesų, šis naujas aptikimas primena atsargumą — PH3 negalima automatiškai laikyti galutiniu gyvybės ženklu be išsamių aplinkos parametrų nustatymo. Wolf 1130C atvejis parodo, jog fosfino buvimas arba nebuvimas labai priklauso nuo atmosferos konteksto ir elementinės sudėties, taigi PH3 interpretacija reikalauja detalesnės ir platesnės informacijos apie tiriamą sistemą.
Observations and methodology
Tyrėjų komanda naudojo JWST infraraudonųjų spindulių spektroskopiją Wolf 1130C spektrams įsigyti, ieškodama būdingų PH3 absorbcijos juostų. Infraraudonoji spektroskopija atskleidžia molekulines „pirštų atspaudus“, kai molekulės sugeria specifines bangos ilgio juostas. Šiuo atveju PH3 charakteristika pasirodė aiškiai spektriniuose duomenyse; Burgasseris apibūdino šį požymį kaip netikėtai ryškų net ir mažiausios skiriamosios gebos matavimuose. Išvestinis koncentracijos įvertis — apie 100 part per billion — sutapo su reikšmėmis, kurias duoda standartiniai disnequilibrium chemijos modeliai, sukurti remiantis Jupiterio ir Saturno tyrinėjimais.
Šis aptikimas reikalavo itin tikslaus teleskopo kalibravimo, triukšmo šalinimo ir sudėtingų modelių, kurie aprašo nykštukės terminę struktūrą ir cheminius procesus jos atmosferoje. Duomenų ir modelio sutapimas Wolf 1130C atveju išsiskiria iš daugelio kitų panašių objektų, kur PH3 arba visiškai nerandamas, arba egzistuoja tik mikroskopiniuose pėdsakuose. Tyrėjai kruopščiai vertino galimus instrumentinių klaidų šaltinius, spektrinių linijų sutapimus su kitomis molekulėmis ir jonizacijos / išmetimo procesus, kurie galėtų maskuoti ar imituoti PH3 signalą.
Be to, spektro analizėje buvo taikomi keli cheminiai ir kinetiniai scenarijai, įvertinant vertikalų maišymą, fotochemines reakcijas ir galimus sveikų alternatyvių reakcinių kelių egzistavimą. Tokie modeliai leidžia ne tik suskaičiuoti tiesioginę fosfino koncentraciją, bet ir suprasti jo susidarymo bei sunaikinimo pusiausvyrą skirtingose atmosferos sluoksniuose.
Context: brown dwarfs as atmospheric laboratories
Rudosios nykštukės užima masių diapazoną tarp masyviausių planetų ir mažiausių vandenilį fasuojančių žvaigždžių. Jos neturi nuolatinės branduolinės sintezės ir laikui bėgant atvėsta, todėl tampa vertingu palyginamuoju laboratoriniu modeliu egzoplanetų ir žvaigždžių atmosferų fizikai. Jų vandenilio dominuojančios atmosferos ir įvairios temperatūros sąlygos leidžia mokslininkams išbandyti disnequilibrium chemijos modelius — procesus, tokius kaip vertikalus maišymas ir fotochemija, kurie atitraukia molekules nuo termocheminės pusiausvyros reikšmių.
Uždraustieji modeliai prognozuoja, kad fosforas žemoje temperatūroje ir vandenilio turtingose atmosferose turėtų daugiausia egzistuoti kaip fosfinas. Tokie modeliai sėkmingai aprašė molekules, pavyzdžiui, amoniaką (NH3), metaną (CH4) ir anglies monoksidą (CO) daugelyje objektų. Tačiau fosforo atveju matome įdomų nesuderinamumą: sutarimas tarp modelių ir stebėjimų egzistuoja Jupiteryje, Saturne ir dabar Wolf 1130C, bet nėra pastebėtas daugelyje kitų rudosių nykštukių bei tam tikrų dujų milžinų egzoplanetų. Tai gali reikšti spragą arba prielaidų netikslumą modelio įvesties duomenyse — pavyzdžiui, elementinėse gausose, vertikaliojo maišymo greičiuose arba temperatūros–slėgio profiliuose — arba nurodyti į trūkstamas chemines reakcijas bei katalizinius mechanizmus, kurie iki šiol nebuvo pakankamai įvertinti.
Rudosios nykštukės taip pat leidžia analizuoti tranzito ir emisijos spektrus įvairiuose bangos ilgiuose, įskaitant prastaudrinius infraraudonuosius regionus, kur PH3 turi stiprias absorbcijos juostas. Dėl to jos veikia kaip natūralūs eksperimentiniai poligonai, kur galime koreguoti modelius ir vertinti, kurie cheminiai procesai yra universalūs, o kurie priklausomi nuo specifinių aplinkos sąlygų.
A diagram of the sizes of the objects in the Wolf 1130 triple-star system. (Adam Burgasser)
Clues from Wolf 1130C’s environment
Wolf 1130C priklauso trigubai sistemai, kurioje yra ir masyvus baltasis nykštukas. Burgasseris ir kolegos išskiria dvi galimas priežastis, kurios galėtų paaiškinti, kodėl šio rudens nykštukės atmosferos PH3 kiekis atitinka modelių prognozes. Pirma, Wolf 1130C, regis, turi mažesnį sunkesniųjų elementų nei vandenilis ir helis kiekį (astronomijoje tai vadinama maža metalitiškumu). Elementinių santykių pasikeitimai gali pakeisti cheminius reakcijų tinklus ir pakeisti, kurios fosforą nešančios rūšys dominuoja atmosferoje. Antra, šalia esantis baltasis nykštukas galėjo paveikti vietinį tam tikrų elementų, įskaitant fosforą, praturtinimą sistemos evoliucijos metu — tai galėjo padidinti fosforo turtingumą, prieinamą fosfino gamybai rudens nykštukės atmosferoje.
Abi hipotezės yra patikrintos priemonėmis: tolimesni spektriniai stebėjimai gali tiksliau nustatyti elementines gausas, o išmanesni atmosferos modeliai gali išanalizuoti, kaip metalitiškumas ir išorinės praturtinimo įtakos keičia fosforo chemines reakcijas. Be to, galima ištirti, ar artimos žvaigždžių sąveikos — masyvių kompanionų išsisklaidymas ar masės perėjimai praeityje — galėjo nulemti unikalią cheminę sudėtį Wolf 1130C aplinkoje.
Praktiniai testai galėtų apimti: aukštesnės skiriamosios gebos spektrometriją, skirtą atskirti artimųjų spektrų linijas; 3D atmosferos dinaminių modelių kūrimą, kurie imituotų konvekciją ir lokalizuotas praturtinimo zonas; bei meteorinį / akrecijos modeliavimą, siekiant įvertinti ar senovinės masės apykaitos įvykiai galėjo koncentruoti fosforą konkrečiose atmosferos zonose.
Implications and next steps
Skubios išvados egzoplanetų mokslui ir astrobiologijai yra atsargumo rekomendacijos. Fosfinas negali būti laikomas vienareikšmišku gyvybės žymeniu be išsamios informacijos apie galinę atmosferos sudėtį, temperatūros struktūrą ir išorines įtakas. Wolf 1130C aptikimas paskatina kelias nuolatines tyrimų kryptis:
- Išplėsti spektrinius tyrimus rudosios nykštukės ir dujų milžinų egzoplanetų imtimis, apimančiais įvairų metalitiškumą ir amžių, kad būtų galima sudaryti žemėlapį, kada ir kur PH3 pasirodo arba pranyksta.
- Patobulinti fotocheminius ir kinetinius modelius fosforo chemijai, įskaitant alternatyvius susidarymo ir sunaikinimo kelius esant skirtingiems slėgiams, temperatūroms ir elementiniams santykiams.
- Modeliuoti dvigubų ar daugiažvaigždžių aplinkų poveikį elementiniam praturtinimui palydovinėse subžvaigždinėse masėse, įvertinant praeities masių mainus ir galimą mass transfer įtaką sudėčiai.
Šie žingsniai padės nustatyti, ar Wolf 1130C yra retas išimtinis atvejis, ar mūsų iki šiol atlikta subžvaigždžių atmosferų imtis praleido tam tikras sąlygas, leidžiančias susiformuoti PH3. Taip pat svarbu koordinuoti JWST stebėjimus su žemės teleskopais, kad būtų galima patvirtinti radinius per skirtingas instrumentų technologijas ir bangos ilgių zonas, sumažinant sistemines klaidas.
Be to, reikėtų išplėsti laboratorinius cheminius tyrimus ir termocheminius duomenų bazes, kad būtų geriau žinomos reakcijų dalelių greitaveikos konstantos ir temperatūrinės priklausomybės, ypač esant žemoms temperatūroms ir aukštiems slėgiams, kurie apibūdina daugelį rudosios nykštukės sluoksnių.
Expert Insight
„Wolf 1130C suteikia mums svarbų duomenų tašką, kuris tiek patvirtina, tiek komplikuoja mūsų modelius,“ sako dr. Leila Moreno, atmosferos chemikė iš Space Science Institute. „Tai patvirtina, jog fosfinas gali pasiekti aptinkamus kiekius žemoje temperatūroje ir vandenilio turtingose atmosferose, tačiau taip pat rodo, kad reikia atsižvelgti į metalitiškumą, sistemos istoriją ir transporto procesus, prieš interpretuojant PH3 kaip gyvybės ženklą. Ateities JWST ir žemės teleskopų stebėjimai, skirti rudosioms nykštukėms su skirtingu metalitiškumu, bus esminiai sprendžiant šią mįslę.“
Conclusion
Fosfino aptikimas Wolf 1130C praplečia mūsų supratimą apie fosforo chemiją subžvaigždinėse atmosferose ir tuo pačiu paryškina esmines nežinomąsias. Tai priminimas, kad prieš suteikiant biologinę reikšmę konkrečioms molekulėms, reikia išsamios atmosferos charakterizacijos — įvertinti sudėtį, temperatūros ir slėgio profilius, dinamiką ir galimas išorines įtakas. Išsiaiškinus, kodėl Wolf 1130C sutampa su modelių prognozėmis, o daug panašių objektų — ne, bus patobulinti atmosferos modeliai, geriau paskirstytos ateities JWST bei žemės stebėjimų strategijos ir rafinuotas mokslinis požiūris į molekules, tokias kaip PH3, naudojant jas ieškant gyvybės už Žemės ribų.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą