O fósforo é um dos seis elementos básicos que tornam a vida possível na Terra. Quando se combina com o hidrogênio, forma fosfina (PH3), um gás altamente tóxico e explosivo. O composto é encontrado nas atmosferas dos gigantes gasosos Júpiter e Saturno e há muito é visto como uma potencial bioassinatura de vida anaeróbica. Na Terra, a fosfina é produzida naturalmente a partir de matéria orgânica em decomposição nos pântanos, mas em outros planetas é rara e interessante.
Uma equipe de pesquisa liderada por Adam Burgasser, professor de astronomia e astrofísica na UC San Diego, detectou agora fosfina na atmosfera de uma antiga e fria estrela anã marrom chamada 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 criogênicos. O que foi surpreendente, no entanto, não foi a descoberta da fosfina, mas sim o facto de a fosfina não parecer estar presente noutras anãs castanhas e gigantes gasosos, como os cientistas esperavam.
Explorando a composição química de estrelas antigas
“Nosso projeto astronômico, chamado Ancient Mysteries, concentra-se em antigas anãs marrons pobres em metais como uma forma de testar nossa compreensão da química atmosférica”, disse Burgasser. “Compreender o problema da fosfina é um dos nossos primeiros objetivos.”
Em condições normais, a fosfina forma-se naturalmente nas atmosferas ricas em hidrogénio de planetas gigantes gasosos como Júpiter e Saturno. Por causa disso, os pesquisadores há muito pensam que ela deveria existir em ambientes semelhantes em torno de outras estrelas, incluindo anãs marrons, que às vezes são chamadas de “estrelas fracassadas” porque são pequenas demais para fundir hidrogênio como estrelas reais.
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 de exoplanetas e anãs marrons com base em previsões teóricas da mistura turbulenta que sabemos que existe nestas fontes,” explica o coautor Sam Beiler, pós-doutorando no Trinity College Dublin que recentemente recebeu o seu doutoramento na Universidade de Toledo.
Beller, que liderou os primeiros estudos que investigaram este fenómeno desaparecido, acrescentou: “Todas as observações que fizemos com o JWST desafiaram as previsões teóricas – até observarmos o Wolf 1130C.”
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. As anãs marrons orbitam um binário compacto que consiste em 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 primordial.
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 a quantidade de gás presente, a equipe recorreu a Erin Gonzalez, professora assistente da Universidade Estadual de São Francisco especializada em modelagem atmosférica.
“Para determinar a abundância de moléculas no Wolf 1130C, usei uma técnica de modelagem chamada inversão atmosférica”, disse Gonzalez. “Essa tecnologia usa dados do JWST para rastrear a quantidade de cada gás molecular na atmosfera. É como fazer engenharia reversa de um biscoito realmente delicioso e o chef não desiste da receita.”
A sua análise confirmou que os níveis de fosfina eram os previstos – 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 enquanto outras anãs castanhas não? Uma possibilidade envolve a composição química incomum do objeto. “Em condições normais, o fósforo pode ser combinado com outra molécula, como o trióxido de fósforo”, explicou Beiler. “Na atmosfera pobre em metais do Wolf 1130C, não há oxigênio suficiente para absorver o fósforo, permitindo que o hidrogênio abundante forme fosfina.”
A equipe planeja testar essa ideia com as próximas observações do JWST de outras anãs marrons pobres em metais para ver se o mesmo padrão surge.
Pistas de uma estrela moribunda
Outra hipótese é que o fósforo pode ter sido produzido localmente dentro do sistema Wolf 1130ABC, especificamente pela sua estrela anã branca Wolf 1130B. “Uma anã branca é a camada externa de uma estrela que resta depois de completar a fusão do hidrogênio”, disse Burgasser. “Eles são tão densos que, quando acumulam material na superfície, sofrem 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 só é conhecido há cerca de um século, as primeiras erupções podem 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 destas explosões estelares.
Descobrindo a origem do fósforo no universo
Compreender evidências claras de por que Wolf 1130C contém fosfina poderia fornecer informações importantes sobre como o fósforo se forma nas galáxias e como ele se comporta nas atmosferas planetárias. Como explica Bergasser, “compreender a química da fosfina nas atmosferas das anãs marrons que não esperamos que hospedem vida é fundamental se esperamos usar esta molécula para procurar vida em mundos semelhantes à Terra, além do nosso sistema solar”.
Este trabalho foi apoiado pela NASA/STScI (NAS 5-03127 e AR-2232) e pela Fundação Heising-Simons.
