O fósforo é um dos seis elementos essenciais que tornam a vida possível na Terra. 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 é visto como uma bioassinatura potencial para vida anaeróbica. Na Terra, a fosfina ocorre naturalmente a partir da matéria orgânica em decomposição nas zonas húmidas, mas noutros planetas é rara e curiosa.
Uma equipe de pesquisa liderada por Adam Bergasser, professor de astronomia e astrofísica da Universidade da Califórnia, em San Diego, detectou fosfina na atmosfera de uma anã marrom antiga e fria, agora conhecida como Wolf 1130C. Seus resultados foram publicados recentemente ciência.
A equipe fez a descoberta usando o Telescópio Espacial James Webb (JWST), o primeiro instrumento poderoso o suficiente para analisar detalhadamente esses objetos tênues e de baixa temperatura. Mas o que é surpreendente é que a fosfina não foi encontrada – mas parece estar faltando em outras anãs marrons e exoplanetas gigantes gasosos onde os cientistas a esperavam.
Explorando a química de estrelas antigas
“Nosso programa de astronomia, chamado Arcana of the Ancients, concentra-se em anãs marrons antigas e pobres em metais como uma forma de testar nossa compreensão da química atmosférica”, disse Bergasser. “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 essa razão, os investigadores há muito que assumem que deve 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 as estrelas verdadeiras.
No entanto, a fosfina era elusiva nas observações anteriores do JWST, indicando que algo pode estar faltando na nossa compreensão da química do fósforo. “Antes do JWST, esperava-se que os exoplanetas e as atmosferas das anãs marrons contivessem grandes quantidades de fosfina, seguindo previsões teóricas baseadas na mistura turbulenta presente nestas fontes”, explicou o coautor Sam Bailer, pós-doutorado no Trinity College Dublin.
Bailer, que liderou estudos anteriores que investigaram esta ausência, acrescentou: “Todas as observações que tivemos com o JWST desafiaram as previsões teóricas – até à nossa observação do Wolf 1130C”.
Sistema incomum de Wolff 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 primordial.
Em contraste com observações anteriores de anãs marrons, os dados do JWST revelaram um forte sinal infravermelho de fosfina na atmosfera de Wolf 1130C. Para entender a quantidade de gás presente, a equipe recorreu a Eileen Gonzales, 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 conhecida como recuperação atmosférica”, disse Gonzales. “Essa técnica usa dados do JWST para comprovar quanto de cada espécie de gás molecular deve estar na atmosfera. É como fazer engenharia reversa de um biscoito realmente saboroso 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 essas anãs marrons 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 material. “Pode ser que, em condições normais, o fósforo esteja ligado a outras moléculas, como o trióxido de fósforo”, explica 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 com as próximas observações do JWST de outras anãs marrons pobres em metais para ver se o mesmo padrão é observado.
Uma pista de uma estrela moribunda
Outra hipótese é que o fósforo pode ser 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”, diz Bergasser. “Eles são tão densos que quando combinam material na 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 Wolff 1130ABC era conhecido há apenas 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 a fonte do fósforo no cosmos
Compreender a razão pela qual existem evidências claras de fosfina no Wolf 1130C pode fornecer informações importantes sobre como o fósforo se forma nas galáxias e como se comporta nas atmosferas planetárias. Como explicou Bergasser, “compreender a química da fosfina nas atmosferas das anãs marrons, onde não esperamos vida, é fundamental se esperamos usar esta molécula para procurar vida em mundos terrestres fora do nosso sistema solar”.
Este trabalho foi apoiado pela NASA/STScI (NAS 5-03127 e AR-2232) e pela Fundação Heising-Simons.
