El fósforo es uno de los seis elementos esenciales que hacen posible la vida en la Tierra. Cuando se une al hidrógeno, forma fosfina (PH3), un gas altamente tóxico y explosivo. Este compuesto se encuentra en las atmósferas de los gigantes gaseosos Júpiter y Saturno y durante mucho tiempo se ha considerado una posible firma biológica de vida anaeróbica. En la Tierra, la fosfina se produce naturalmente a partir de la materia orgánica en descomposición de los humedales, pero en otros planetas es rara y curiosa.
Un equipo de investigación dirigido por Adam Bergasser, profesor de astronomía y astrofísica de la Universidad de California en San Diego, ha detectado fosfina en la atmósfera de una antigua y fría enana marrón ahora conocida como Wolf 1130C. Sus resultados fueron publicados recientemente. ciencia.
El equipo hizo el descubrimiento utilizando el Telescopio Espacial James Webb (JWST), el primer instrumento lo suficientemente potente como para analizar en detalle estos objetos débiles y de baja temperatura. Pero lo sorprendente es que no se encontró fosfina, pero parece faltar en otras enanas marrones y exoplanetas gigantes gaseosos donde los científicos la esperaban.
Explorando la química de las estrellas antiguas
“Nuestro programa de astronomía, llamado Arcanos de los Antiguos, se centra en enanas marrones antiguas y pobres en metales como una forma de poner a prueba nuestra comprensión de la química atmosférica”, dijo Bergasser. “Comprender el problema de la fosfina fue uno de nuestros primeros objetivos”.
En condiciones normales, la fosfina se forma naturalmente en las atmósferas ricas en hidrógeno de gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno. Por esa razón, los investigadores han asumido durante mucho tiempo que debe existir en ambientes similares alrededor de otras estrellas, incluidas las enanas marrones, que a veces se llaman “estrellas fallidas” porque son demasiado pequeñas para fusionar hidrógeno como las estrellas verdaderas.
Sin embargo, la fosfina fue esquiva en observaciones anteriores del JWST, lo que indica que puede faltar algo en nuestra comprensión de la química del fósforo. “Antes del JWST, se esperaba que los exoplanetas y las atmósferas de las enanas marrones contuvieran grandes cantidades de fosfina, siguiendo predicciones teóricas basadas en la mezcla turbulenta presente en estas fuentes”, explicó el coautor Sam Bailer, investigador postdoctoral en el Trinity College de Dublín.
Bailer, que dirigió estudios anteriores que investigaban esta ausencia, añadió: “Cada observación que hemos tenido con JWST ha desafiado las predicciones teóricas, hasta nuestra observación de Wolf 1130C”.
El inusual sistema de Wolff 1130ABC
Wolf 1130C es parte de un complejo sistema de tres estrellas ubicado a 54 años luz de distancia en la constelación de Cygnus. La enana marrón orbita una binaria cercana compuesta por una estrella roja fría (Wolf 1130A) y una enana blanca densa (Wolf 1130B). Los astrónomos han estado interesados durante mucho tiempo en este sistema porque Wolf 1130C contiene muchos menos “metales” (elementos más pesados que el hidrógeno y el helio) que el Sol, lo que proporciona un valioso laboratorio para estudiar la química cósmica primordial.
A diferencia de observaciones anteriores de enanas marrones, los datos del JWST revelaron una fuerte señal infrarroja de fosfina en la atmósfera de Wolf 1130C. Para determinar cuánto gas había presente, el equipo recurrió a Eileen Gonzales, profesora asistente de la Universidad Estatal de San Francisco que se especializa en modelos atmosféricos.
“Para determinar la abundancia de moléculas en Wolf 1130C, utilicé una técnica de modelado conocida como recuperación atmosférica”, dijo Gonzales. “Esta técnica utiliza datos JWST para respaldar la cantidad de cada especie de gas molecular que debería haber en la atmósfera. Es como realizar ingeniería inversa en una galleta realmente sabrosa cuando el chef no renuncia a la receta”.
Su análisis confirmó que la fosfina estaba presente en la cantidad prevista: alrededor de 100 partes por mil millones.
¿Por qué estas enanas marrones y no otras?
El descubrimiento plantea una nueva pregunta: ¿por qué esta enana marrón en particular contiene fosfina cuando otras no? Una posibilidad tiene que ver con la composición química inusual del material. “Es posible que, en condiciones normales, el fósforo esté unido a otras moléculas, como el trióxido de fósforo”, explica Beiler. “En la atmósfera empobrecida de metales de Wolf 1130C, no hay suficiente oxígeno para absorber el fósforo, lo que permite que se forme fosfina a partir de abundante hidrógeno”.
El equipo planea probar esta idea con las próximas observaciones del JWST de otras enanas marrones pobres en metales para ver si se observa el mismo patrón.
Una pista de una estrella moribunda
Otra hipótesis es que el fósforo puede producirse localmente dentro del sistema Wolf 1130ABC, específicamente por su enana blanca, Wolf 1130B. “Una enana blanca es la capa sobrante de una estrella que ha terminado de fusionar su hidrógeno”, afirma Bergasser. “Son tan densos que cuando combinan material en su superficie pueden sufrir reacciones nucleares descontroladas, que detectamos como novas”.
Aunque los astrónomos no han observado ningún evento de nova en este sistema en la historia reciente, estas explosiones suelen repetirse cada pocos miles de años. Como Wolff 1130ABC se conocía desde hacía sólo un siglo, erupciones anteriores podrían haber pasado desapercibidas, dejando rastros de fósforo en el espacio circundante. Investigaciones anteriores han sugerido que muchos de los átomos de fósforo de la Vía Láctea pueden haberse originado a partir de estas explosiones estelares.
Desentrañando la fuente del fósforo en el cosmos
Comprender por qué hay evidencia clara de fosfina en Wolf 1130C podría proporcionar información importante sobre cómo se forma el fósforo en las galaxias y cómo se comporta en las atmósferas planetarias. Como explicó Bergasser, “comprender la química de la fosfina en atmósferas de enanas marrones donde no esperamos vida es fundamental si esperamos utilizar esta molécula para buscar vida en mundos terrestres fuera de nuestro sistema solar”.
Este trabajo fue apoyado por NASA/STScI (NAS 5-03127 y AR-2232) y la Fundación Heising-Simons.
