天文学家在深空中发现神秘气体，感到震惊

由加州大学圣地亚哥分校天文学与天体物理学教授亚当·布尔加瑟领导的研究团队，近期在《科学》杂志发表研究，宣布利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）在一颗名为Wolf 1130C的寒冷古老褐矮星大气中检测到了磷化氢。JWST是首个能详细分析这类暗淡低温天体的强大仪器，但令人惊讶的并非发现了磷化氢，而是它未出现在科学家预期的其他褐矮星和系外气态巨行星中。
布尔加瑟表示，他们名为“古老奥秘”的天文项目聚焦于古老、贫金属褐矮星，以检验对大气化学的理解，而弄清磷化氢相关问题是首要目标之一。通常，磷化氢会在木星、土星等富氢大气的气态巨行星中自然形成，因此研究人员长期认为，在包括褐矮星（因太小无法像恒星那样聚变氢，故有时被称为“失败的恒星”）在内的其他恒星周围类似环境中也应存在。然而，此前JWST观测中磷化氢一直难觅踪迹，暗示我们对磷化学的理解可能存在缺失。都柏林三一学院博士后学者山姆·拜勒（近期从托莱多大学获得博士学位，也是论文合著者）解释：“在JWST出现前，基于已知的湍流混合理论预测，系外行星和褐矮星大气中磷化氢应很丰富。”曾主导早期相关缺失研究的拜勒补充：“我们用JWST获得的每项观测都挑战了理论预测——直到观测Wolf 1130C才有所不同。”
Wolf 1130C是位于天鹅座、距离地球54光年的三星系统Wolf 1130ABC的一部分，它围绕由一颗寒冷红矮星（Wolf 1130A）和一颗致密白矮星（Wolf 1130B）组成的密近双星运行。天文学家对该系统长期感兴趣，因其含有的“金属”（比氢和氦重的元素）远少于太阳，为研究原始宇宙化学提供了宝贵实验室。与以往褐矮星观测不同，JWST数据显示Wolf 1130C大气中有强烈的磷化氢红外信号。为确定气体含量，团队求助于旧金山州立大学助理教授艾琳·冈萨雷斯，她专长于大气建模。冈萨雷斯说：“为确定Wolf 1130C中分子的丰度，我使用了一种名为大气反演的建模技术。该技术利用JWST数据反推大气中每种分子气体的含量，就像厨师不透露秘方时，反向破解美味饼干的配方一样。”她的分析证实，磷化氢含量符合预期——约为十亿分之一百。
这一发现引出新问题：为何唯独这颗褐矮星含磷化氢？一种可能与它特殊的化学成分有关。拜勒解释：“正常情况下，磷可能会与三氧化磷等分子结合。而在Wolf 1130C贫金属的大气中，氧气不足，无法结合磷，使得磷能与丰富的氢形成磷化氢。”团队计划通过未来JWST对其他贫金属褐矮星的观测来验证这一想法，看是否存在相同模式。
另一种假设是，磷可能在Wolf 1130ABC系统内本地产生，特别是来自其白矮星Wolf 1130B。布尔加瑟指出：“白矮星是恒星耗尽氢燃料后留下的残骸，密度极高，当表面吸积物质时会发生失控核反应，即我们观测到的新星爆发。”尽管近期未观测到该系统有新星事件，但此类爆发通常每几千年复发一次。由于Wolf 1130ABC仅被发现约一个世纪，早期爆发可能未被察觉，却在周围空间留下了磷的痕迹。此前研究表明，银河系的许多磷原子可能源于这类恒星爆发。
理解Wolf 1130C为何存在明显磷化氢证据，有助于揭示磷在星系中的形成方式及其在行星大气中的行为。布尔加瑟解释：“若希望利用磷化氢寻找太阳系外类地行星上的生命，那么弄清在没有生命的褐矮星大气中磷化氢的化学过程至关重要。”这项研究得到了NASA/STScI（编号NAS 5-03127和AR-2232）以及海辛-西蒙斯基金会的支持。