Astrônomos chocados com gás misterioso encontrado no espaço profundo

Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor de astronomia e astrofísica da Universidade da Califórnia em San Diego, Adam Burgasser, detectou agora fosfina na atmosfera de uma anã marrom antiga e fria conhecida como Wolf 1130C. Suas descobertas foram publicadas recentemente em Ciência.

A equipe fez a descoberta usando o Telescópio Espacial James Webb (JWST), o primeiro instrumento poderoso o suficiente para analisar detalhadamente esses objetos escuros e de baixa temperatura. A parte surpreendente, no entanto, não é que a fosfina tenha sido encontrada – mas que ela parece ausente de outras anãs marrons e exoplanetas gigantes gasosos onde os cientistas a esperavam.

Sondando a Química das Estrelas Antigas

“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 Burgasser. “Compreender o problema da fosfina foi um dos nossos primeiros objetivos.”

Em condições normais, a fosfina forma-se naturalmente nas atmosferas ricas em hidrogénio de gigantes gasosos como Júpiter e Saturno. Por causa disso, os investigadores há muito que assumem que também deveria existir em ambientes semelhantes em torno de outras estrelas, incluindo anãs castanhas, que são por vezes chamadas de “estrelas falhadas” porque são demasiado pequenas para fundir hidrogénio como estrelas verdadeiras.

No entanto, a fosfina tem sido evasiva em observações anteriores do JWST, sugerindo que algo pode estar faltando na nossa compreensão da química do fósforo. “Antes do JWST, esperava-se que a fosfina fosse abundante nas atmosferas dos exoplanetas e das anãs castanhas, seguindo previsões teóricas baseadas na mistura turbulenta que sabemos que existe nestas fontes,” explicou o coautor Sam Beiler, pós-doutorando no Trinity College Dublin que recentemente obteve o seu doutoramento na Universidade de Toledo.

Beiler, que liderou estudos anteriores que investigaram esta ausência, acrescentou: “Todas as observações que obtivemos com o JWST desafiaram as previsões teóricas – isto é, até observarmos o 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 de Cygnus. A anã marrom orbita um binário próximo composto por uma estrela vermelha fria (Wolf 1130A) e uma anã branca densa (Wolf 1130B). Os astrónomos há muito que se interessam por este sistema porque o Wolf 1130C contém muito menos “metais” (elementos mais pesados ​​que o hidrogénio e o hélio) do que o Sol, proporcionando um laboratório valioso para o estudo da química cósmica primitiva.

Ao contrário das observações anteriores de anãs marrons, os dados do JWST revelaram um forte sinal infravermelho da fosfina na atmosfera de Wolf 1130C. Para entender quanto do gás estava presente, a equipe recorreu à professora assistente Eileen Gonzales, da Universidade Estadual de São Francisco, especializada em modelagem atmosférica.

“Para determinar a abundância de moléculas no Wolf 1130C, usei uma técnica de modelagem conhecida como recuperações atmosféricas”, disse Gonzales. “Esta técnica usa os dados do JWST para determinar quanto de cada espécie de gás molecular deveria estar na atmosfera. É como fazer engenharia reversa de um biscoito realmente delicioso quando o chef não desiste da receita.”

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

Por que esta anã marrom e não outras?

A descoberta levanta uma nova questão: porque é que esta anã castanha em particular contém fosfina e outras 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 esgotada de metais do Wolf 1130C, não há oxigênio suficiente para absorver o fósforo, permitindo a formação de fosfina a partir do hidrogênio abundante.”

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

Uma pista de uma estrela moribunda

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 restante de uma estrela que terminou a fusão do seu hidrogénio,” disse Burgasser. “Eles são tão densos que, quando acumulam material em sua superfície, podem sofrer reações nucleares descontroladas, que detectamos como novas”.

Embora os astrónomos não tenham observado quaisquer eventos de novas neste sistema na história recente, tais explosões ocorrem frequentemente a cada poucos milhares de anos. Como o Wolf 1130ABC é conhecido há apenas cerca de um século, as erupções anteriores poderiam ter passado despercebidas, deixando vestígios de fósforo no espaço circundante. 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 cosmos

Compreender por que Wolf 1130C contém evidências claras de fosfina pode oferecer informações importantes sobre como o fósforo se forma na galáxia e como ele se comporta nas atmosferas planetárias. Como explicou Burgasser, “compreender a química da fosfina nas atmosferas das anãs marrons, onde não esperamos vida, é crucial se esperamos usar esta 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.