天文新谜题:为什么只有这颗“失败恒星”拥有生命迹象气体?
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2025-10-03 14:01:36
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由加州大学圣迭戈分校天文学和天体物理学教授亚当·伯加瑟(Adam Burgasser)领导的国际研究团队,通过詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST),在一颗名为Wolf 1130 C的古老的冷褐矮星大气中,探测到了磷化氢(如图1)。这种剧毒气体一直被视为类地行星上潜在的生命迹象。这项突破性发现10月3日发表在《科学》杂志上。

什么是磷化氢,为何它如何特殊?

磷,是地球生命所必需的六种关键元素(碳、氢、氧、氮、磷、硫)之一。当磷与氢结合时,便会形成磷化氢(PH3)分子,这是一种易爆、剧毒的气体。

它的特殊性在于:在木星和土星这类气态巨行星的大气中,磷化氢可以通过自然化学反应大量生成。

而在类地行星中,通过普通化学过程很难生成。在地球上,磷化氢是腐烂的有机沼泽物质的副产品。因此,如果在类地行星上检测到磷化氢,它就可能成为厌氧微生物存在的“生命印记”。

詹姆斯·韦伯太空望远镜对Wolf 1130 C(浅蓝线)和典型褐矮星(灰线)的红外光谱观测对比。彩色波段突出显示了这些光谱中与水(H2O)、甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和磷化氢(PH3)相关的分子吸收特征,其中磷化氢仅出现在Wolf 1130 C 的光谱中。右侧放大的面板突出显示了磷化氢产生的吸收带,该面板比较了Wolf 1130 C(浅蓝线)和纯磷化氢(绿线)的光谱。[图片来源:Adam Burgasser]

发现本身不是谜,为何“仅此一例”才是谜

磷化氢是通过詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的观测在Wolf 1130 C的大气中探测到的,这是第一台具有足够灵敏度来详细观察这些天体的望远镜。

然而,本次研究的核心谜团,不在于为什么发现了磷化氢,而在于“为什么只在这里发现”。

科学家原本认为,磷化氢应该存在于围绕其它恒星运行的气态巨行星的大气中及它们质量更大的表亲——褐矮星(一种介于行星与恒星之间的天体,俗称“失败的恒星”)的大气中。

这个名为“远古奥秘”的JWST观测项目专注于古老、贫金属的褐矮星,作为测试天文学家对大气化学理解的手段。理解磷化氢的问题是该项目的首要目标之一。然而,强大的韦伯望远镜,在其它类似天体上一无所获,这说明科学家对磷化氢的理解存在问题。

Wolf 1130 C成了“孤独的例外”,也因此具有独特的研究价值。

在距离太阳54光年的天鹅座天区恒星系统Wolf 1130 ABC中(如图2),褐矮星Wolf 1130 C沿着宽轨道围绕一个紧密的双星系统运行,该系统由一颗红矮星(Wolf 1130 A)和一颗大质量白矮星(Wolf 1130 B)组成。由于其“金属”(氢和氦以外的任何元素)丰度比太阳低很多,Wolf 1130 C一直是褐矮星领域的天文学家重点研究的目标。

通过使用一种称为大气反演的建模技术,研究人员确定了Wolf 1130 C中分子的丰度。这种技术使用JWST数据来反推大气中应该有多少种分子气体。模型显示,磷化氢以约千万分之一的理论预测丰度存在于Wolf 1130 C的大气中。

Wolf 1130 ABC 三星系统的示意图,由红矮星 Wolf 1130 A、其近距离致密白矮星伴星Wolf 1130 B,以及遥远的褐矮星Wolf 1130 C 组成。该系统的三个成员星按其相对大小按比例显示,间距不等比例。[图片来源:Adam Burgasser]

为何独独是它?两种主流假说

研究人员对他们的发现感到高兴的同时,提出了一个关键问题:为什么磷化氢存在于这颗褐矮星的大气中而不是其它褐矮星中?研究团队提出了两种可能的解释:

一种可能性是特殊的“贫金属”大气——

Wolf 1130 C大气中的低金属丰度改变了其潜在的化学性质。在正常条件下,磷可能被束缚在另一种分子中,如三氧化二磷。而在Wolf 1130 C的贫金属大气中,没有足够的氧来占据磷,使磷化氢能够从丰富的氢中形成。

另一种可能性是来自“邻居”的馈赠——

磷是在Wolf 1130 ABC系统中局部产生的,特别是由其白矮星Wolf 1130 B产生的。白矮星是恒星完成氢聚变后留下的残核,密度极高。当它们在表面吸积物质时,可能会发生失控的核反应,天文学家将其称为新星。虽然在最近的历史中没有看到Wolf 1130 ABC系统中有此类事件的证据,但新星通常有数千年到数万年的爆发周期。早期未被观察到的爆发可能留下了磷污染的遗迹。

Wolf 1130 ABC 三星系统的示意图,由红矮星 Wolf 1130 A、其近距离致密白矮星伴星Wolf 1130 B,以及遥远的褐矮星 Wolf 1130 C 组成。该系统的三个成员星按其相对大小缩放显示,并与左侧的太阳图像进行比较。[图片来源:Adam Burgasser]

发现的意义:为寻找地外生命校准“指南针”

南京大学天文与空间科学学院副教授张曾华是JWST观测项目的共同首席研究员,也是论文的共同作者,在这项研究中发挥了重要作用。

他的团队在准确测量Wolf 1130 A(该系统中的红矮星)的金属丰度方面作出关键贡献,这项测量直接关系到对Wolf 1130 C大气化学环境的理解。

红矮星的质量和半径都只有太阳的0.1-0.5倍(如图3)。我们通常很难准确测量它们的金属丰度。张曾华目前正带领团队进一步深入研究Wolf 1130 A 的化学丰度,以及Wolf 1130 AB这个密近双星的几何构型、星风吸积和磁场分布等物理特性。这些研究将有助于更全面地理解磷化氢在这个独特系统中存在的原因。

此项发现之所以重要,并非因为它找到了生命,而是因为它挑战了现有的行星大气化学模型。要想在未来准确地通过磷化氢在另一颗“地球”上寻找生命,我们必须首先完全理解它在所有非生命环境中的产生机制。

据介绍,研究团队计划通过新的JWST观测来进一步探索这些可能性,在其它贫金属褐矮星的大气中寻找磷化氢,以验证他们的假说,深化我们对宇宙化学的理解。

新华日报·交汇点记者 杨频萍

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