10 دقیقه
خلاصهٔ کشف
یک تیم بین‌المللی به سرپرستی اخترفیزیک‌دان آدام بورگاسر (دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو) گزارش کرده‌اند که فاسفین (PH3) به‌طور واضح در جو کوتولهٔ قهوه‌ای Wolf 1130C، در فاصلهٔ تقریباً 54 سال نوری از زمین، شناسایی شده است. این کوتولهٔ قهوه‌ای که قدمت آن بیش از 10 میلیارد سال تخمین زده میشود، فراوانی فاسفینی در حدود صد قسمت در میلیارد را نشان میدهد. این اولین کشف محکم PH3 در یک کوتولهٔ قهوه‌ای است که با مقدار پیش‌بینی‌شده توسط مدلهای رایج شیمی جو سازگار است.
اهمیت این کشف برای شیمی فسفر و زیست‌شناسی فرازمینی
فاسفین بهعنوان یک نشانگر بالقوهٔ زیستی توجه زیادی جلب کرده است، زیرا در زمین عمدتاً توسط میکروب‌های بی‌هوازی تولید میشود. اعلام کشف PH3 در جو زهره در سال 2020 باعث تشدید بحث‌ها دربارهٔ مسیرهای تشکیل غیروجودانی فاسفین و نحوهٔ تفسیر چنین آشکارسازی‌هایی شد. در خارج از منظومهٔ شمسی، فاسفین پیش از این در جو مشتری و زحل شناخته شده بود؛ در آن‌جا PH3 در عمق مناطق داغ و پرفشار تشکیل شده و سپس توسط همرفت به لایههای بالاتر منتقل میشود.
یافتن PH3 در Wolf 1130C با فراوانی مشابه با مشتری و زحل تأییدی است بر این که تحت برخی شرایط شیمی فسفر همان‌طور که مدلها پیشبینی میکنند رفتار می‌کند. با این وجود، الگوی کلی گیج‌کننده است: جست‌وجوهای متعدد برای دیگر کوتوله‌های قهوه‌ای و سیارات غول‌پیکر فراخورشیدی با استفاده از تلسکوپ‌های زمینی و تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) در بسیاری موارد نتوانسته‌اند PH3 را در سطوح مورد انتظار بیابند. این ناسازگاری نشان میدهد که درک ما از مسیرهای تشکیل و پایداری مولکول‌های حامل فسفر در جوهای غنی از هیدروژن و کم‌دما ناقص است.
از آن‌جا که فاسفین میتواند از فرآیندهای زیستی و غیرزیستی سرچشمه بگیرد، این کشف تازه ضمن تأکید بر اهمیت PH3 در مطالعات زیست‌شناسی فرازمینی، هشدار میدهد که نباید آن را بهتنهایی بهعنوان شاهد قطعی حیات تلقی کرد. نتیجهٔ Wolf 1130C نشان میدهد که حضور یا غیبت PH3 به زمینهٔ جو و ترکیب عناصر بستگی دارد و بنابراین بدون محدودیت‌های محیطی دقیق، PH3 قابلاستفاده بهعنوان یک نشانگر قطعی زیستی نیست.
مشاهدات و روش‌شناسی
تیم تحقیق از تلسکوپ فضایی جیمز وب برای ثبت طیف فروسرخ Wolf 1130C استفاده کرد و به‌دنبال باندهای جذبی مشخص فاسفین بود. طیف‌سنجی فروسرخ اثر انگشت مولکولی را نشان میدهد، چون مولکول‌ها در طول موج‌های مشخصی نور را جذب میکنند. در این مورد، نشانهٔ PH3 به‌وضوح در داده‌های طیفی دیده شد؛ بورگاسر ویژگی را حتی در پایین‌ترین وضوح طیفی «به‌طرز غیرمنتظره‌ای آشکار» توصیف کرد. فراوانی استنباط‌شده — حدود صد قسمت در میلیارد — با مقادیری که مدلهای شیمی ناسازگاریِ استاندارد از روی مطالعات مشتری و زحل تولید کرده‌اند، تطابق داشت.
این آشکارسازی وابسته به کالیبراسیون دقیق و مدلسازی ساختار گرمایی و ترکیب شیمیایی کوتوله بود. سازگاری میان مشاهده و مدل برای Wolf 1130C در تضاد با بسیاری از اجرامی است که از نظر نوع و دما مشابه‌اند اما در آن‌ها PH3 یا کاملاً غایب است یا تنها بهصورت ردیف‌های ضعیف مشاهده شده است. برای حصول اطمینان از این نتیجه، محققان چندین ابزار پردازش داده، بازسازی طیف و تحلیل حساسیت را اعمال کردند تا خطاهای سیستماتیک احتمالی را کاهش دهند.
علاوه بر تحلیل طیفی مستقیم، مدلهای انتقال تابش همراه با شبکههای شیمیایی واکنش‌پذیری برای بازسازی شرایط فشار–دما و نرخهای اختلاط عمودی استفاده شد. در این مدلها، پارامترهایی مانند نرخ همرفت، ضریب مخلوط‌شدگی عمودی و نسبت‌های عنصری ورودی به‌طور سیستماتیک متغیر شدند تا محدودهٔ ممکن فراوانی PH3 و سازگاری آن با داده‌های مشاهده‌ای بررسی شود.
زمینهٔ پژوهشی: کوتوله‌های قهوه‌ای بهعنوان آزمایشگاه‌های جوّی
کوتوله‌های قهوه‌ای در محدوده‌ای از جرم قرار دارند که بین سنگین‌ترین سیارات و کوچک‌ترین ستارگان هم‌جوش هیدروژنی قرار می‌گیرد. آن‌ها همجوشی هسته‌ای پایدار ندارند و با گذشت زمان خنک می‌شوند؛ همین ویژگی آن‌ها را به آزمایشگاه‌های مقایسه‌ای ارزشمندی برای فیزیک جوی ستاره‌ای و سیاره‌ای تبدیل می‌کند. جوهای غالباً هیدروژنی و دمای متنوع کوتوله‌ها به پژوهشگران امکان میدهد تا مدلهای شیمی ناسازگار را آزمون کنند — فرایندهایی مانند اختلاط عمودی و فتوشیمی که مولکول‌ها را از مقادیر تعادل ترمودینامیکی دور می‌برند.
مدلهای پذیرفته‌شده پیشبینی میکنند که در جوهای غنی از هیدروژن و کم‌دما، فسفر عمدتاً بهصورت فاسفین وجود داشته باشد. این مدلها برای مولکول‌هایی مانند آمونیاک (NH3)، متان (CH4) و مونواکسید کربن (CO) در بسیاری از اجرام به خوبی عمل کرده‌اند. اما ناهماهنگی برای فسفر — تطابق برای مشتری، زحل و اکنون Wolf 1130C و عدم تطابق برای چندین کوتولهٔ قهوه‌ای و سیارات فراخورشیدی — نشان میدهد که یا برخی فروض ورودی (نسبت‌های عنصری، نرخهای اختلاط عمودی، پروفیل‌های فشار–دما) نادرست یا ناکافی هستند، یا مسیرهای شیمیایی کلیدی هنوز شناسایی نشده‌اند.
کوتوله‌ها علاوه بر این، با گسترهٔ وسیعی از سن‌ها و فلزیته‌ها (نسبت عناصر سنگین‌تر از هیدروژن و هلیوم) وجود دارند که امکان مطالعهٔ تأثیر ترکیب اولیه بر شیمی جو را فراهم می‌آورد. آزمایش تغییر در فلزیته و بررسی نتایج آن بر فراوانی گونه‌های فسفردار میتواند رویکردی مستقیم برای کشف دلایل تفاوت‌های مشاهده‌شده باشد.
نموداری از اندازهٔ اجرام در سامانهٔ سه‌تایی Wolf 1130. (آدام بورگاسر)
ردیف سرنخ‌ها از محیط Wolf 1130C
Wolf 1130C بخشی از یک سامانهٔ سه‌تایی است که شامل یک کوتولهٔ قهوه‌ای و یک کوتولهٔ سفید پرجرم نیز میشود. بورگاسر و همکاران دو عامل را پیشنهاد میدهند که ممکن است توضیح‌دهندهٔ تطابق عجیب این کوتوله با مدلها باشند. نخست، Wolf 1130C به‌نظر می‌رسد فراوانی عناصر سنگین‌تر از هیدروژن و هلیوم کمتری دارد (آن‌چه اخترشناسان آن را فلزیتهٔ پایین می‌نامند). تغییر در نسبت‌های عنصری میتواند شبکههای واکنشی شیمیایی را دگرگون کند و موجب شود گونهٔ غالب فسفردار تغییر کند.
دوم اینکه حضور یک کوتولهٔ سفید نزدیک ممکن است در تاریخ سامانه به غنیسازی محلی برخی عناصر، از جمله فسفر، کمک کرده باشد — به‌گونه‌ای که مقدار فسفر قابل‌دسترس برای تولید PH3 در جو کوتوله افزایش یافته باشد. این سناریو میتواند شامل انتقال ماده در مراحل تکاملی ستارهٔ همدم، باد ستاره‌ای یا رویدادهای دینامیکی باشد که موجب تبادل مواد بین اعضای سامانه شده‌اند.
هر دو فرضیه قابل آزمایش هستند: مشاهدات طیفی آینده می‌توانند برآوردهای فراوانی عناصر را دقیق‌تر کنند و مدلهای جوی پیشرفته‌تر می‌توانند بررسی کنند که چگونه فلزیته و غنیسازی خارجی شیمی فسفر را تغییر میدهند. تحلیل مطالعات تطبیقی بین کوتوله‌های عضو سامانه‌های متعدد و آن‌هایی که تنها یا در محیط‌های متفاوتی قرار دارند، میتواند نقش تاریخ تکاملی سامانه را روشن‌تر سازد.
پیامدها و گامهای بعدی
پیامد فوری برای علم سیارات فراخورشیدی و زیست‌شناسی فرازمینی، احتیاط است. PH3 را نمی‌توان بهعنوان یک نشانگر زیستی مستقل بدون زمینهٔ کامل دربارهٔ ترکیب جو میزبان، ساختار دمایی–فشاری و تأثیرات بیرونی دانست. کشف Wolf 1130C چند خط تحقیق پیگیری را تحریک می‌کند:
- گسترش پیمایشهای طیفی کوتوله‌های قهوه‌ای و سیارات غول‌پیکر فراخورشیدی در بازه‌ای از فلزیته‌ها و سن‌ها تا نقشه‌ای از شرایط ظهور PH3 به‌دست آید.
- اصلاح و توسعهٔ مدلهای فتوشیمیایی و سینتیکی برای شیمی فسفر، از جمله مسیرهای جایگزین شکلگیری و نابودی PH3 تحت فشارها، دماها و نسبت‌های عنصری متفاوت.
- مدلسازی تأثیر محیط‌های دوتایی یا چندتایی بر غنیسازی عنصری اجرام همراه و بررسی نقش انتقال ماده در طول تکامل سامانه.
این تلاش‌ها به تعیین این که آیا Wolf 1130C یک مورد استثنایی است یا نمونهٔ نماینده‌ای از شرایطی که تا کنون کمتر مورد بررسی قرار گرفته‌اند، کمک خواهند کرد. علاوه بر این، ترکیب داده‌های مشاهده‌ای با آزمایش‌های نظری پیشرفته میتواند به بازتعریف معیارهایی منجر شود که بر اساس آن‌ها PH3 و سایر مولکول‌ها بهعنوان شاخص‌های زیستی بالقوه بررسی می‌شوند.
در سطح عملی، پیگیری‌هایی که پیشنهاد شده شامل مشاهدات بلندمدت با JWST برای دنبال کردن تغییرات زمانی، استفاده از تلسکوپ‌های زمینی بزرگ با طیف‌سنجی با وضوح بالا برای جداسازی خطوط طیفی پیچیده و مطالعهٔ نمونههای آماری بزرگ است که بتوانند اثرات فلزیته، دما و تاریخ تکاملی را تفکیک کنند.
دیدگاه کارشناسان
«Wolf 1130C نقطهٔ دادهٔ مهمی فراهم می‌آورد که هم مدلهای ما را تأیید می‌کند و هم پیچیدگی‌هایی را مطرح می‌سازد،» دکتر لیلا مورنو، شیمیدان جوی در مؤسسهٔ علوم فضایی می‌گوید. «این یافته نشان میدهد که فاسفین میتواند در جوهای کم‌دما و غنی از هیدروژن به فراوانی قابل‌تشخیصی برسد، اما همچنین تأکید می‌کند که قبل از تفسیر PH3 بهعنوان یک نشانگر زیستی باید فلزیته، تاریخچهٔ سامانه و فرآیندهای انتقال را لحاظ کنیم. مشاهدات آیندهٔ JWST و رصدخانه‌های زمینی که کوتوله‌هایی با فلزیته‌های متفاوت را هدف قرار میدهند، کلیدی خواهند بود تا این معما حل شود.»
جمع‌بندی
کشف فاسفین در Wolf 1130C دیدگاه ما را دربارهٔ شیمی فسفر در جوهای زیرستاره‌ای پیشرفت داده و در عین حال عدم‌قطعیت‌های اساسی را برجسته می‌کند. این نتیجه بر ضرورت انجام توصیف جامع جوها پیش از نسبت‌دادن معانی زیستی به مولکول‌ها تأکید دارد. روشن شدن این که چرا Wolf 1130C با پیش‌بینی‌های مدلها هماهنگ است اما بسیاری از اجرام مشابه چنین نیستند، موجب بهبود مدلهای جوی، هدایت استراتژی‌های رصدی آتی با JWST و رصدخانه‌های زمینی و بازتعریف شیوهٔ استفاده از مولکول‌هایی مانند PH3 در جستوجوی حیات فرازمینی خواهد شد.
در نهایت، این کشف نشان میدهد که ترکیب دقیق مشاهدات طیفی، مدلسازی پیشرفتهٔ شیمی جو و درک بهتر تاریخ تکاملی سامانه‌ها برای تفسیر دقیق هر نشانگر شیمیایی — خواه زیستی باشد یا غیرزیستی — ضروری است. تلاش‌های آینده در این زمینه میتواند به تفکیک بهتر منابع فاسفین و تعیین نقش واقعی آن در بحث‌های زیست‌نشانه‌ای کمک شایانی کند.
منبع: sciencealert
ارسال نظر