Fosfine heeft de laatste tijd voor veel opschudding gezorgd in de astronomische wereld. Dat kwam grotendeels door de (nog steeds fel bediscussieerde) detectie ervan in de atmosfeer van Venus. Hoewel de enige bekende manier waarop fosfine op aardse werelden, zoals Venus, kan worden gevormd, via een of andere biologische oorsprong is, komt het relatief vaak voor bij grotere gasreuzen en zelfs bij “bruine dwergen”, mislukte sterren die groter zijn dan Jupiter, maar niet groot genoeg om hun eigen waterstoffusieproces op gang te brengen.
Tot nu toe hadden we nog geen fosfine gezien in de atmosfeer van bruine dwergen in andere zonnestelsels, maar een nieuwe paper van een diverse groep onderzoekers, beschikbaar in pre-printvorm op arXiv, gebruikte gegevens verzameld door de James Webb Space Telescope (JWST) om het voor het eerst te vinden. Ze realiseerden zich ook het mechanisme dat het in de eerste plaats zo moeilijk te zien maakte: de metalliciteit van het object. Metalliciteit is een veelgebruikt begrip in de astronomie, maar is contra-intuïtief ten opzichte van wat men zou verwachten bij het gebruik van het woord. In de scheikunde worden “metalen” gedefinieerd als chemische elementen met zeer specifieke eigenschappen. In de astronomie wordt de metalliciteit van een ster (of mislukte ster) echter gedefinieerd als de hoeveelheid elementen anders dan waterstof en helium die erin aanwezig zijn. Zeer oude sterren hebben een lagere ‘metalliciteit’, omdat het proces voor het vormen van elementen die hoger op het periodiek systeem staan dan helium, een eerdere generatie sterren vereist die in een supernova explodeert. Dus, in het algemeen geldt: hoe ouder een ster is, hoe lager de metalliciteit. Onze eigen zon heeft een relatief hoge metalliciteit, maar er zijn enkele sterren en bruine dwergen in de ‘dikke schijf’ van de melkweg die veel ouder zijn en een lagere metalliciteit hebben.
Het onderzoeksteam gebruikte het NIRSpec-instrument op de JWST om een van die bruine dwergen in de dikke schijf te observeren: Wolf 1130C. Toen ze naar het spectrale profiel keken, was er een duidelijk absorptiesignaal rond 4,3 um, precies waar fosfine wordt verwacht. Waarom was het dan nog niet eerder gedetecteerd rond andere, vergelijkbare objecten? Jupiter en Saturnus bevatten veel fosfine. Hun fosforgehalte wordt zelfs geschat op 5 tot 16 keer het niveau dat wordt aangetroffen in onze toch al metaalrijke zon. We kunnen het signaal voor fosfine duidelijk zien omdat er in hun bovenste atmosfeer geen verstorende factor aanwezig is: kooldioxide. CO2 heeft extreem sterke absorptielijnen op hetzelfde punt in het spectrum als fosfine en kan het kleinere signaal van de minder overvloedige verbinding gemakkelijk overstemmen. In Jupiter en Saturnus is de bovenste atmosfeer niet erg warm, dus het grootste deel van de koolstof die daarin aanwezig is, zit vast in methaan (CH4) in plaats van in CO2. Methaan heeft een andere spectrale signatuur en interfereert daarom niet met de fosfineabsorptie op dezelfde manier als kooldioxide.
Bij bruine dwergen zoals Wolf 1130C, die naar schatting 44 keer zo groot is als Jupiter, is de bovenste atmosfeer echter veel warmer, deels omdat er in de kern een bepaalde hoeveelheid fusie plaatsvindt, meestal van deuterium. Door deze hogere temperatuur kan kooldioxide worden gevormd, althans in sterren met een hoge metalliciteit. Het signaal voor fosfine was zo duidelijk op Wolf 1130C omdat deze ster, gezien zijn lage metalliciteit, in vergelijking met soortgelijke sterren een zeer kleine hoeveelheid kooldioxide bevatte. In wezen is het niet zo dat fosfine niet aanwezig is in bruine dwergen, maar dat het signaal dat dit aantoont, wordt overstemd door een veel sterker signaal van een veel voorkomender element.
De onderzoekers gingen nog een stap verder en bewezen dat de fosfine niet alleen aan Wolf 1130C werd afgegeven door een van de twee begeleidende sterren in het driesterrenstelsel. Ze bevestigden dat het in de bruine dwerg zelf werd gevormd en naar de buitenste atmosfeer werd getransporteerd, waar het kan worden gedetecteerd. Dit betekent ook dat andere bruine dwergen met een lage metalliciteit dezelfde fosfinesignaturen zouden moeten hebben, een theorie die met verdere observaties kan worden getoetst.
Dit heeft duidelijke implicaties voor het vinden van fosfine op andere werelden. Hoewel niemand beweert dat fosfine op een gasreus of bruine dwerg iets anders is dan puur chemisch van aard, maakt het feit dat de absorptielijn voor deze verbinding zo nauw verbonden is met die van een veel voorkomende verbinding (CO2) die geen biosignatuur is, het gebruik ervan als zodanig veel moeilijker. Het feit dat Venus veel kooldioxide in zijn atmosfeer heeft, maakt de eerdere bevindingen nog ingewikkelder. Terwijl onderzoekers blijven aandringen op het vinden van nieuwe en betere biosignaturen, zou dit onderzoek naar fosfine hun verwachtingen moeten temperen en hen ertoe moeten aanzetten de gegevens opnieuw te bekijken om er zeker van te zijn dat ze zien wat ze denken te zien.
Bron: Universe Today
