Astrônomos surpresos com gás enigmático descoberto no espaço profundo

Detecção de Fosfina

Uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor de Astronomia e Astrofísica da Universidade da Califórnia em San Diego, Adam Burgasser, detectou fosfina na atmosfera de um anão marrom antigo e frio conhecido como Wolf 1130C. As descobertas foram recentemente publicadas na Science.

A equipe fez a descoberta usando o Telescópio Espacial James Webb (JWST), o primeiro instrumento poderoso o suficiente para analisar esses objetos fracos e de baixa temperatura em detalhes. No entanto, a parte surpreendente não é que a fosfina foi encontrada, mas sim que parece estar ausente de outros anões marrons e exoplanetas gigantes gasosos onde os cientistas esperavam encontrá-la.

Procurando a Química das Estrelas Antigas

“Nosso programa de astronomia, chamado Arcana dos Antigos, se concentra em anões marrons velhos e pobres em metais como uma forma de testar nossa compreensão da química atmosférica”, disse Burgasser. “Compreender o problema com a fosfina foi um de nossos primeiros objetivos.”

Em condições normais, a fosfina se forma naturalmente nas atmosferas ricas em hidrogênio de gigantes gasosos como Júpiter e Saturno. Por causa disso, os pesquisadores assumiram há muito tempo que também deveria existir em ambientes semelhantes em torno de outras estrelas, incluindo anões marrons, que são às vezes chamados de “estrelas fracassadas” porque são muito pequenos para fundir hidrogênio como as verdadeiras estrelas.

No entanto, a fosfina tem sido elusiva em observações anteriores do JWST, sugerindo que algo pode estar faltando em nossa compreensão da química do fósforo. “Antes do JWST, esperava-se que a fosfina fosse abundante nas atmosferas de exoplanetas e anões marrons, seguindo previsões teóricas com base na mistura turbulenta que sabemos existir nessas fontes”, explicou Sam Beiler, coautor e bolsista pós-doutoral no Trinity College Dublin, que recentemente obteve seu doutorado na Universidade de Toledo.

Beiler, que liderou estudos anteriores investigando essa ausência, acrescentou: “Todas as observações que obtivemos com o JWST desafiaram as previsões teóricas – isso até observarmos Wolf 1130C.”

O Sistema Incomum de Wolf 1130ABC

Wolf 1130C faz parte de um complexo sistema de três estrelas localizado a 54 anos-luz de distância na constelação Cisne. O anão marrom orbita um sistema binário próximo composto por uma estrela vermelha fria (Wolf 1130A) e uma anã branca densa (Wolf 1130B). Astrônomos estão há muito interessados neste sistema porque Wolf 1130C contém muito menos “metais” (elementos mais pesados do que hidrogênio e hélio) do que o Sol, fornecendo um laboratório valioso para estudar a química cósmica primitiva.

Ao contrário das observações anteriores de anões marrons, os dados do JWST revelaram um sinal infravermelho forte da fosfina na atmosfera de Wolf 1130C. Para entender quanta quantidade do gás estava presente, a equipe recorreu à Professora Assistente Eileen Gonzales, da Universidade Estadual de San Francisco, especializada em modelagem atmosférica.

“Para determinar as abundâncias de moléculas em Wolf 1130C, utilizei uma técnica de modelagem conhecida como recuperações atmosféricas,” disse Gonzales. “Essa técnica usa os dados do JWST para descobrir quanto de cada espécie gasosa molecular deve estar na atmosfera. É como reverter o processo de engenharia de um biscoito realmente delicioso quando o chef não se recusa a dar a receita.”

Sua análise confirmou que a fosfina estava presente na quantidade prevista – cerca de 100 partes por bilhão.

Por que Este Anão Marrom e Não Outros?

A descoberta levanta uma nova questão: por que este anão marrom específico contém fosfina enquanto outros não? Uma possibilidade envolve a composição química incomum do objeto. “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 que a fosfina se forme a partir do hidrogênio abundante.”

A equipe planeja testar essa ideia por meio de próximas observações do JWST de outros anões marrons pobres em metais para ver se o mesmo padrão aparece.

Uma Dica de uma Estrela em Fim de Vida

Outra hipótese é que o fósforo pode ter sido produzido localmente dentro do sistema Wolf 1130ABC, especificamente pela sua anã branca, Wolf 1130B. “Uma anã branca é a casca remanescente de uma estrela que culminou a fusão de seu hidrogênio,” disse Burgasser. “Elas são tão densas que, quando acumulam material em sua superfície, podem passar por reações nucleares descontroladas, que detectamos como novas.”

Embora os astrônomos não tenham observado nenhum evento de nova nesse sistema recentemente, essas explosões muitas vezes se repetem a cada poucos mil anos. Como Wolf 1130ABC é conhecido há apenas cerca de um século, erupções anteriores podem ter passado despercebidas, deixando vestígios de fósforo no espaço ao redor. Pesquisas anteriores sugeriram que muitos dos átomos de fósforo da Via Láctea podem ter se originado dessas explosões estelares.

Desvendando as Origens do Fósforo no Cosmo

Compreender por que Wolf 1130C contém evidências claras de fosfina poderia oferecer importantes insights sobre como o fósforo se forma na galáxia e como se comporta nas atmosferas planetárias. Como explicou Burgasser, “Compreender a química da fosfina nas atmosferas dos anões marrons onde não esperamos vida é crucial se esperamos usar essa molécula na busca por vida em mundos terrestres além do nosso sistema solar.”

Este trabalho foi apoiado pela NASA/STScI (NAS 5-03127 e AR-2232) e pela Fundação Heising-Simons.