O fósforo é um dos seis elementos essenciais que tornam a vida na Terra possível. Quando se liga ao hidrogênio, forma fosfina (PH3), um gás altamente tóxico e explosivo. Este composto é encontrado nas atmosferas dos gigantes gasosos Júpiter e Saturno e há muito tempo é considerado uma potencial biossignatura para a vida anaeróbica. Na Terra, a fosfina surge naturalmente a partir da decomposição de material orgânico em pântanos, mas em outros planetas, é rara e intrigante.
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. Suas 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. O mais surpreendente, no entanto, não é que a fosfina foi encontrada – mas que ela parece estar ausente em outros anões marrons e exoplanetas gasosos onde os cientistas a esperavam.
Investigando a Química de Estrelas Antigas
“Nosso programa de astronomia, chamado Arcanos dos Antigos, foca em anões marrons velhos e com baixo teor de metais como uma forma de testar nosso entendimento da química atmosférica”, disse Burgasser. “Entender o problema da fosfina foi um dos 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 há muito assumem que deveria existir também em ambientes semelhantes ao redor de outras estrelas, incluindo anões marrons, que às vezes são chamados de “estrelas fracassadas” porque são muito pequenos para fundir hidrogênio como as verdadeiras estrelas.
No entanto, a fosfina tem sido elusiva nas 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 de exoplanetas e anões marrons, seguindo previsões teóricas baseadas na mistura turbulenta que sabemos existir nessas fontes”, explicou Sam Beiler, co-autor 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: “Cada observação que obtivemos com o JWST desafiou as previsões teóricas – até que observamos Wolf 1130C.”
O Inusitado Sistema Wolf 1130ABC
Wolf 1130C é parte de um complexo sistema triple estelar localizado a 54 anos-luz de distância na constelação de Cygnus. O anão marrom orbita um binário próximo composto por uma estrela vermelha fria (Wolf 1130A) e uma anã branca densa (Wolf 1130B). Os astrônomos há muito estão interessados neste sistema porque Wolf 1130C contém muito menos “metais” (elementos mais pesados que hidrogênio e hélio) do que o Sol, proporcionando um laboratório valioso para o estudo da química cósmica primitiva.
Diferente das observações anteriores de anões marrons, os dados do JWST revelaram um forte sinal infravermelho de fosfina na atmosfera de Wolf 1130C. Para entender quanto do gás estava presente, a equipe contou com a Professora Assistente Eileen Gonzales, da Universidade Estadual de San Francisco, que é especializada em modelagem atmosférica.
“Para determinar as abundâncias de moléculas em Wolf 1130C, usei uma técnica de modelagem conhecida como recuperação atmosférica”, disse Gonzales. “Essa técnica utiliza os dados do JWST para deduzir quanto de cada espécie gasosa molecular deveria estar na atmosfera. É como fazer engenharia reversa de um biscoito muito saboroso quando o chef não quer revelar 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 empobrecida 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 futuras observações do JWST de outros anões marrons pobres em metais para ver se o mesmo padrão aparece.
Uma Dica 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 remanescente de uma estrela que terminou de fundir 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 eventos de nova neste sistema em tempos recentes, tais explosões frequentemente ocorrem a cada poucos mil anos. Como Wolf 1130ABC é conhecido apenas há cerca de um século, erupções anteriores podem ter passado despercebidas, deixando para trás 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 Cosmos
Entender por que Wolf 1130C contém evidências claras de fosfina pode oferecer importantes insights sobre como o fósforo se forma na galáxia e como ele se comporta nas atmosferas dos planetas. Como Burgasser explicou, “Compreender a química da fosfina nas atmosferas de anões marrons onde não esperamos vida é crucial se quisermos 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.