یافتن فوسفین در جو کوتولهٔ Wolf 1130C توسط JWST

تلسکوپ فضایی جیمز وب فوسفین را در جو یک کوتولهٔ قهوه‌ای کهنسال شناسایی کرده است، که پیش‌بینی‌های نظری طولانی‌مدت را تأیید می‌کند و پرسش‌هایی را دربارهٔ چرخهٔ فسفر در جهان‌های سرد و غنی از هیدروژن دوباره مطرح می‌سازد. این آشکارسازی در Wolf 1130C — یک کوتولهٔ قهوه‌ای پیر و کم‌فلز که به دور یک سامانهٔ دوتایی فشرده می‌گردد — رشته‌ای از عدم‌کشف‌های شگفت‌آور را شکسته و آزمایشگاهی جدید برای مدل‌های شیمی و تفسیر نشانگرهای زیستی در اختیار اخترشناسان قرار می‌دهد.

نموداری از سامانهٔ سه‌گانهٔ Wolf 1130ABC، شامل کوتولهٔ قرمز Wolf 1130A (چپ)، همراه کوتولهٔ سفید نزدیک و فشردهٔ آن Wolf 1130B (میان)، و کوتولهٔ قهوه‌ای دوردست Wolf 1130C (راست). سه مؤلفهٔ این سامانه با اندازه‌های نسبی‌شان نمایش داده شده‌اند.

چرا فوسفین اهمیت دارد: شیمی، سیارات و آشکارسازی حیات

فسفر یکی از عناصر کلیدی برای زندگی زمینی است و جزئی اساسی از ساختمان DNA، غشاهای سلولی و مولکول‌های حامل انرژی مانند ATP به شمار می‌آید. در جوهای کاهشی و غالباً غنی از هیدروژن، فسفر می‌تواند با هیدروژن ترکیب شده و فوسفین (PH3) را بسازد، مولکولی که از نظر شیمیایی فعال است و برای بسیاری از اشکال زندگی سمی است. در مشتری و زحل، فوسفین به‌عنوان یک گاز کمیاب معمولی شناخته می‌شود که در لایه‌های عمیق و داغ تولید شده و با هم‌آمیختگی تلاطمی به بالا کشیده می‌شود. از آنجا که سیارات سنگی مسیرهای طبیعی محدودی برای تولید بی‌زیستی PH3 دارند، فوسفین به‌عنوان یک نشانگر زیستی بالقوه برای سیارات فرازمینی صخره‌ای مورد توجه قرار گرفته است؛ هرچند تفسیر آن بسیار وابسته به زمینهٔ محیطی است.

برای دهه‌ها، دانشمندان سیاره‌ای انتظار داشتند فوسفین در جو غول‌های گازی و کوتوله‌های قهوه‌ای پدیدار شود هرجا شرایط مشابه مشتری و زحل باشد: هیدروژن فراوان، فسفر کافی در فاز گازی و مخلوط‌شدن جوی که گونه‌های حامل فسفر را از لایه‌های گرمتر به بالا ببرد. با این حال، مشاهدات اخیر با ابزارهای قدرتمند، از جمله داده‌های اولیهٔ JWST، اغلب در جاهایی که مدل‌ها فراوانی PH3 را پیش‌بینی می‌کردند، این مولکول را نیافته‌اند. آن اختلاف بین نظریه و مشاهده باعث شد تا بررسی‌های تازه‌ای روی کوتوله‌های قهوه‌ای کهنسال و کم‌فلز انجام شود تا مدل‌های شیمیایی تحت آزمون قرار گیرند.

Wolf 1130ABC: همسایگی نامعمول برای یک کشف نامعمول

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

تأثیر قهوه بر داروها: بایدها و نبایدهای مصرف همزمان قهوه و دارو

برای میلیون‌ها نفر در سراسر جهان، قهوه بخش جدایی‌ناپذیر آغاز روز است و آرامش، هوشیاری و...

سامانهٔ Wolf 1130ABC در صورت فلکی قو (Cygnus) حدود 54 سال نوری فاصله دارد و یک سامانهٔ سلسله‌مراتبی سه‌تایی است: یک کوتولهٔ قرمز خنک (Wolf 1130A) که به‌طور نزدیک با یک کوتولهٔ سفیدِ پرجرم (Wolf 1130B) جفت شده و یک کوتولهٔ قهوه‌ای پیر و دوردست (Wolf 1130C) این زوج را همراهی می‌کند. Wolf 1130C برای شیمیدانان جوی جذاب است زیرا کم‌فلز است — یعنی نسبت عناصر سنگین‌تر از هیدروژن و هلیوم در آن کمتر از خورشید است. این کاهش فلزات بستری طبیعی برای آزمودن تأثیر ترکیب شیمیایی بر واکنش‌های جوی فراهم می‌آورد.

با استفاده از طیف‌نگارهای فروسرخ تلسکوپ جیمز وب، تیمی به سرپرستی پروفسور آدام بورگسر از دانشگاه کالیفرنیا، سن‌دیِگو طیف‌های حساس و با کیفیتی از Wolf 1130C به‌دست آوردند و ویژگی‌های جذب مشخصی را که به فوسفین نسبت داده می‌شوند، شناسایی کردند. سیگنال به اندازه‌ای قوی بود که نویسندگان توانستند با بهره‌گیری از روش‌های بازیابی جوی (atmospheric retrieval) — روش‌های آماری که طیف یک سیاره یا کوتولهٔ قهوه‌ای را معکوس می‌کنند تا ساختار دمایی و غلظت مولکولی را برآورد کنند — مقدار مولکول را کمّی کنند.

روش‌های بازیابی و نتیجهٔ فراوانی

• بازیابی‌های جوی ترکیبی از مدل‌های انتقال تابش و الگوریتم‌های بهینه‌سازی هستند که برای تطبیق طیف‌های مشاهده‌شده کاربرد دارند. این روش‌ها توزیع‌های احتمالی دماها، فشارها و نسبت‌های اختلاط مولکولی را که با داده سازگارند، بازمی‌گردانند.
• در مورد Wolf 1130C، نتایج بازیابی نشان‌دهندهٔ وجود فوسفین در حدود 100 قسمت در میلیارد به حجم (ppb) است، سطحی که با انتظارات نظری پیشین برای جوهای غنی از هیدروژن و در حال مخلوط‌شدن عمودی سازگار است.

ایلین گونزالس، دانشیار دانشگاه ایالتی سان‌فرانسیسکو و هم‌نویسندهٔ مقاله، این روش را مانند معکوس کردن یک دستور آشپزی ناشناخته توصیف کرد: داده‌های طیفی مواد و نسب آن‌ها را محدود می‌کنند. در Wolf 1130C اثرانگشت طیفی PH3 آن‌قدر واضح بود که گاز را در محدودهٔ فراوانی پیش‌بینی‌شده قرار می‌داد — نقطه‌ٔ پایانی که هم از نظر علمی رضایت‌بخش و هم تا حدودی مرموز است، زیرا بسیاری از کوتوله‌های قهوه‌ای و سیارات فرازی که با JWST بررسی شده‌اند، علائم فوسفین مشابهی نشان نداده‌اند.

چرا Wolf 1130C فوسفین را نشان داد اما دیگران نشان ندادند

این کشف دو توضیح اصلی را مطرح می‌کند که هر دو پیامدهای قابل آزمایش دارند. نخست، شیمی کم‌فلزی Wolf 1130C ممکن است شکل‌گیری فوسفین را با محدود کردن تشکیل مولکول‌های دیگر حامل فسفر تسهیل کند. در جوهای غنی از فلزات، اکسیژن به‌راحتی با فسفر ترکیب شده و گونه‌های اکسیدشده‌ای (مثل اکسیدهای فسفر) می‌سازد که تولید PH3 را سرکوب می‌کنند. در محیط‌های کم‌فلز با اکسیژن کمتر، فسفر ممکن است در اشکال احیاشده باقی بماند و با هیدروژن فراوان واکنش داده و فوسفین تولید کند.

دوم، تاریخچهٔ سامانه می‌تواند فسفر اضافی را به جو کوتوله منتقل کرده باشد. کوتوله‌های سفید مانند Wolf 1130B ممکن است دچار رویدادهای سطحی ترمونوکلی (نوا) شوند، یعنی زمانی که مادهٔ گردآوری‌شده روی سطح چگال، همگرا شده و همجوشی فرار را آغاز می‌کند. این نواها می‌توانند عناصر سنگین از جمله فسفر را سنتز و به اطراف پراکنده کنند. اگر Wolf 1130B در طول عمر طولانی سامانه یک یا چند نوا را تجربه کرده باشد، مادهٔ غنی‌شده با فسفر ممکن است پخش و بعدها به‌صورت جذب یا اختلاط وارد جو Wolf 1130C شده باشد. تمایز مشاهداتی بین تأثیرات شیمیایی ذاتی و غنی‌شدن خارجی نیازمند جستجوهای هدفمند برای یافتن اختلالات همبسته در عناصر و مقایسه‌های جمعیتی میان کوتوله‌های قهوه‌ای مشابه خواهد بود.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

تأثیر افزودنی های قهوه بر طول عمر در تازه ترین پژوهش ها

پژوهش جدید درباره نقش افزودنی‌های قهوه بر طول عمر یک مطالعه مهم به سرپرستی پژوهشگران دانشگاه...

هر یک از این سناریوها پیامدهایی برای تفسیر آشکارسازی‌های فوسفین به‌عنوان نشانگر زیستی بالقوه بر سیارات سنگی دارد. اگر ترکیب جوی و تاریخچهٔ سامانه بتواند PH3 را به‌صورت غیرزیستی در محیط‌های پیش‌بینی‌نشده تولید کند، آنگاه کشف فوسفین روی یک سیارهٔ زمینی نیازمند زمینهٔ تکمیلی — مانند نسبت‌های ایزوتوپی، هم‌یافتِ گازهای همراه یا محدودیت‌های ژئوفیزیکی روشن — خواهد بود تا بتوان آن را به زیست‌شناسی نسبت داد.

پیامدها برای مدل‌ها، مأموریت‌ها و مشاهدات آینده

آشکارسازی فوسفین در Wolf 1130C یک دادهٔ عینی برای به‌روزرسانی مدل‌های شیمیایی گونه‌های حامل فسفر تحت طیف وسیعی از فلزیته‌ها و پروفیل‌های دمایی فراهم می‌کند. مدل‌سازان شبکه‌های واکنشی را بازنگری خواهند کرد، مخازن جایگزین فسفر را وارد مدل می‌کنند و بررسی می‌کنند چگونه کارایی مخلوط‌شدن عمودی با گرانش و سن تغییر می‌یابد. از منظر رصدی، این کشف انگیزه‌بخش چند مسیر پیگیری است:

• انجام یک پیمایش هدفمند با JWST روی کوتوله‌های قهوه‌ای کم‌فلز تا مشخص شود آیا Wolf 1130C منحصر به فرد است یا نمایندهٔ یک طبقهٔ گسترده‌تر.
• استفاده از طیف‌نگاری با وضوح بالا از رصدخانه‌های زمینی برای جستجوی مولکول‌های دیگر حامل فسفر و نشانه‌های ایزوتوپی که بتوانند منشأ نوکلئوسنتز را نشان دهند.
• مقایسهٔ فهرست‌های شیمیایی کوتوله‌های قهوه‌ای، سیارات غول‌پیکر فراخورشیدی و غول‌های منظومهٔ شمسی برای ترسیم این‌که چگونه ترکیب و دینامیک، شیمی فسفر را در محیط‌های مختلف شکل می‌دهد.

این تلاش‌ها همچنین معیارهای مشاهده‌ای مورد استفاده در جستجوی حیات را پالایش خواهند کرد. با ترسیم مسیرهای غیرزیستی تولید فوسفین، اخترشناسان می‌توانند ترکیب‌های گازی و شرایط سیاره‌ای را که در آن‌ها PH3 زیستی محتمل‌ترین توضیح است، بهتر تعیین کنند.

دیدگاه یک کارشناس

دکتر ماریا چِن، شیمیدان جو در یک آزمایشگاه ملی، دیدگاهی دربارهٔ این یافته ارائه داد: «این آشکارسازی یک نقطهٔ کالیبراسیون خوش‌آمد است. Wolf 1130C نشان می‌دهد که PH3 می‌تواند در جوهای سرد و کم‌فلز پایدار بماند و قابل آشکارسازی باشد، و این نحوهٔ وزن‌دهی ما به فوسفین به‌عنوان نشانگر زیستی را تغییر می‌دهد. این نتیجه منشأ زیستی را در جاهای دیگر رد نمی‌کند، اما تأکید می‌کند که پیش از بیان ادعا دربارهٔ حیات، به زمینهٔ جامع — ترکیب، دینامیک و تاریخچهٔ سامانه — نیاز است.»

نتیجه‌گیری

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

کشف قطعی فاسفین در کوتولهٔ Wolf 1130C و پیامدهایش

خلاصهٔ کشف یک تیم بین‌المللی به سرپرستی اخترفیزیک‌دان آدام بورگاسر (دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو) گزارش کرده‌اند...

آشکارسازی فوسفین در Wolf 1130C توسط JWST هم تأییدی بر نظریه‌ها و هم انگیزشی برای پرسش‌های تازه است: تأیید این‌که انتظارات نظری ما دربارهٔ PH3 در برخی جوها می‌تواند درست باشد، و انگیزه‌بخش از آن جهت که بسیاری از جهان‌های مشابه این مولکول را نشان نمی‌دهند. حل این معما مدل‌های شیمیایی ما را تیزتر خواهد کرد، برنامه‌ریزی مشاهدات آینده را بهبود خواهد داد و قواعدی را که بر اساس آن‌ها نشانگرهای زیستی بالقوه ارزیابی می‌شوند، بازتعریف خواهد کرد. چه فوسفین در نهایت نشانه‌ای از حیات در برخی جهان‌ها باشد و چه نشانگر تاریخچه و ترکیب سیاره، Wolf 1130C به یک معیار مهم در درک شیمی کیهانی فسفر تبدیل شده است.