La fosfina è da tempo considerata una possibile biofirma, motivo per cui è ritenuta una delle molecole più interessanti da chi studia le atmosfere planetarie ed esoplanetarie. Formato da un atomo di fosforo legato a tre atomi di idrogeno, il composto è già stato individuato nelle atmosfere di Saturno e Giove, nelle nubi di Venere, nel mezzo interstellare e nel materiale circumstellare attorno a stelle evolute. Tuttavia, sebbene i modelli di chimica atmosferica lo prevedano, finora non è mai stato osservato – o è stato rilevato in quantità minime – nelle atmosfere delle nane brune. Finora, appunto. Utilizzando il telescopio spaziale James Webb, un team di astronomi dell’Università della California a San Diego, negli Usa, ha ora rilevato abbondanti livelli della molecola nell’atmosfera di Wolf 11130C, una nana bruna appartenente a un sistema stellare triplo situato nella costellazione del Cigno, a circa 54 anni luce dalla Terra.
Illustrazione artistica che mostra il sistema triplo Wolf 1130ABC, composto dalla stella nana rossa Wolf 1130A, dalla sua compagna nana bianca Wolf 1130B e dalla distante nana bruna Wolf 1130C. Le tre componenti del sistema sono mostrate in scala rispetto alle loro dimensioni relative. Crediti: Adam Burgasser
La ricerca, i cui risultati sono stati recentemente pubblicati su Science, si basa su osservazioni spettroscopiche realizzate il 30 agosto scorso con gli strumenti NirSpec e Miri a bordo del telescopio spaziale James Webb. L’oggetto celeste osservato, come anticipato, è Wolf 1130C, una fredda e antica nana bruna in orbita attorno a una coppia centrale composta da una nana rossa, Wolf 1130A, e da una nana bianca, Wolf 1130B.
«Il nostro programma di ricerca astronomica, chiamato Arcana of the Ancients, si concentra su nane brune antiche e povere di metalli per migliorare la nostra comprensione della chimica atmosferica», spiega Adam Burgasser, ricercatore all’Università della California a San Diego e primo autore della pubblicazione. «Studiare il comportamento della fosfina in questi corpi celesti è stato uno dei nostri primi obiettivi».
Puntando Jwst verso il sistema, il team ha ottenuto gli spettri ad alta risoluzione dell’oggetto celeste su un intervallo di lunghezze d’onda compreso tra 0,6 e 14 micrometri. La successiva analisi ha permesso di rivelare una chiara e forte caratteristica di assorbimento centrata a 4,3 micrometri: la firma inequivocabile della molecola, per di più presente in quantità significative.
Secondo i ricercatori, l’abbondanza della fosfina sulla nana bruna sarebbe pari a 0.1 parti per milione (ppm): una quantità paragonabile a quella rilevata su Giove e Saturno ma in netto contrasto con le osservazioni precedenti di altre nane brune ed esopianeti, dove, rispetto alle previsioni teoriche, la fosfina è risultata scarsamente presente – fino a cento volte inferiore – o del tutto assente.
A sinistra, grafico che mostra le osservazioni spettrali del Jwst di Wolf 1130C (linea azzurra) e di una tipica nana bruna (linea grigia). La rilevazione della fosfina è evidenziata nel pannello ingrandito a destra, che confronta lo spettro di Wolf 1130C (linea azzurra) con quello della fosfina pura (linea verde). Crediti: Adam Burgasser
Ma come spiegare queste abbondanze nell’atmosfera di Wolf 1130C? Un’idea gli scienziati se la sono fatta ed è venuta fuori da simulazioni della circolazione atmosferica che hanno riprodotto con successo i livelli di fosfina osservati. Le simulazioni, spiegano i ricercatori, sono coerenti con un modello di circolazione basato su una chimica di non equilibrio (disequilibrium chemistry models): un processo guidato dalla miscelazione verticale del gas all’interno dell’alta atmosfera simile a quello che dà conto della presenza di fosfina nelle atmosfere di Giove e Saturno.
Secondo questo modello, la fosfina verrebbe trasportata dagli strati più profondi e caldi dell’atmosfera del corpo celeste fino alla fotosfera – la regione visibile – grazie a un efficiente mescolamento verticale. Questo processo avverrebbe più rapidamente delle reazioni chimiche che distruggerebbero la molecola, consentendole di accumularsi in quantità maggiori rispetto a quanto previsto dai modelli di equilibrio termochimico.
Questa scoperta, se da un lato conferma l’efficacia dei modelli di mescolamento verticale, dall’altro solleva nuove domande: perché lo stesso processo non sembra altrettanto efficiente in altre nane brune ed esopianeti giganti?
Una possibile spiegazione riguarda la composizione atmosferica della stella: Wolf 1130C è povera di metalli, e questo potrebbe influenzarne la chimica di base. «È probabile che in condizioni normali il fosforo sia legato a un’altra molecola, come il triossido di fosforo», osserva a questo proposito Sam Beiler, ricercatore al Trinity College di Dublino e coautore della ricerca. «Nell’atmosfera povera di metalli di Wolf 1130C è possibile invece che non ci sia abbastanza ossigeno per assorbire il fosforo, consentendo alla fosfina di formarsi». Un’altra ipotesi è che il fosforo derivi in realtà dall’ambiente circostante, ad esempio dalla nana bianca Wolf 1130B, ma al momento non sono emerse prove a sostegno di questo scenario
«Fino a quando i modelli non riusciranno a spiegare in modo coerente tutte queste discrepanze, la nostra comprensione della chimica del fosforo nelle atmosfere planetarie resterà incompleta», sottolineano i ricercatori. «Capire perché Wolf 1330C mostra una chiara traccia di fosfina potrebbe offrire nuove intuizioni non solo sulla chimica atmosferica di questi oggetti celesti, ma anche sulla sintesi del fosforo nella Via Lattea e sul ruolo che questo elemento gioca nelle atmosfere planetarie. Pertanto», concludono, «finché queste divergenze non saranno risolte, bisognerebbe fare attenzione all’uso della fosfina come biofirma».
Per saperne di più:
- Leggi su Science l’articolo “Observation of undepleted phosphine in the atmosphere of a low-temperature brown dwarf” di Adam J. Burgasser, Eileen C. Gonzales, Samuel A. Beiler, Channon Visscher, Ben Burningham, Gregory N. Mace, Jacqueline K. Faherty, Zenghua Zhang, Clara Sousa-Silva, Nicolas Lodieu, Stanimir A. Metchev, Aaron Meisner, Michael Cushing, Adam C. Schneider, Genaro Suarez, Chih-Chun Hsu, Roman Gerasimov, Christian Aganze e Christopher A. Theissen