韦伯望远镜发现褐矮星大气有磷化氢！天文学家为何震惊？

　　韦伯望远镜观测距离地球54光年的褐矮星沃尔夫1130C时，意外发现了磷化氢气体。这种气体在太阳系内罕见，且该褐矮星环境本不适合其存在，这一发现会改写太空化学认知吗？

　　当天文学家将詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）对准一颗围绕遥远恒星系统运行的暗淡天体时，他们并未预料到会发现宇宙中最奇特的化学物质之一——磷化氢气体。

　　在褐矮星沃尔夫1130C（Wolf 1130C）的大气中发现这种气体，颠覆了数十年来关于磷在太空中行为的假设，可能会改变科学家解读宇宙中其他地方潜在生命迹象的方式。

　　沃尔夫1130C位于天鹅座（Cygnus constellation），距离地球约54光年，围绕着一对恒星运行——一颗寒冷的红矮星和一颗致密的白矮星。

　　此类褐矮星也被称为“失败的恒星”，因为它们的质量不足以维持氢聚变反应，但又具备类木行星的一些特征。尽管它们亮度极低，但韦伯望远镜的红外探测能力足够强大，能够深入研究其大气化学组成。

　　由美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）天文学和天体物理学教授亚当·伯加瑟（Adam Burgasser）领导的全球研究团队，利用韦伯望远镜的近红外光谱仪（NIRSpec）对沃尔夫1130C的大气进行了分析。令他们惊讶的是，他们检测到了明确的磷化氢（PH₃）吸收线——这种分子由一个磷原子和三个氢原子组成。

　　科学家们此前就已了解磷化氢。在地球上，它是一种工业副产品，也是有机物在厌氧环境下腐烂产生的物质。在太阳系内，它存在于土星和木星动荡的大气中——在这两颗行星内部深处产生后，通过垂直对流被输送到大气上层。除了这两颗行星之外，磷化氢在太阳系内极为罕见。

　　这也正是这一发现令人震惊的原因。沃尔夫1130C的温度比土星或木星更低，且重元素（比氦重的元素）含量也更低。在正常情况下，这样的环境本应排除磷化氢形成或存在的可能性。但韦伯望远镜却捕捉到了它明确的化学特征，这表明这颗褐矮星的大气中正在发生一些不寻常的过程。

　　该研究的合著者、都柏林圣三一学院（Trinity College Dublin）的博士后研究员山姆·贝勒（Sam Beiler）表达了这种惊奇：“我们用韦伯望远镜进行的每一次观测，都在检验理论预测——直到我们观测到沃尔夫1130C，情况发生了改变。”

　　为解读这一发现，该研究的合著者、旧金山州立大学（San Francisco State University）天文学助理教授艾琳·冈萨雷斯（Eileen Gonzales）采用了一种名为“大气反演”的建模技术。通过将韦伯望远镜的红外观测数据与先进的模拟结果进行对比，她能够“逆向推导”出该褐矮星大气的组成成分。

　　她的计算显示，磷化氢的浓度约为十亿分之100——这与理论模型预测的在这种环境中可能存在的浓度完全一致，但此前从未得到证实。

　　那么，为何偏偏在沃尔夫1130C的大气中发现了磷化氢，而其他类似天体中却没有呢？部分原因在于这颗褐矮星的氧气含量较低。在重元素含量低的大气中，氧气含量不足以与磷结合形成其他化合物（如三氧化二磷，P₄O₆）。

　　这意味着磷可以自由地与氢结合形成磷化氢。贝勒解释道：“在沃尔夫1130C重元素含量低的大气中，没有足够的氧气与磷结合，因此磷化氢得以形成。”

　　沃尔夫1130恒星系统的周边恒星环境可能也是一个关键因素。该系统中的白矮星伴星沃尔夫1130B（Wolf 1130B），是一颗先前的巨星留下的致密残骸。在其演化过程中，它很可能通过核反应产生了磷，并在其“死亡痉挛”（即恒星演化末期的爆发过程）中将这种元素释放了出来。伯加瑟及其合著者推测，这颗褐矮星可能吸收了附近一些富含磷的物质。

　　尽管该系统近期没有记录到新星活动（白矮星表面发生的短暂核爆炸），但这类爆发的重复周期可能为几千年一次。

　　如果在遥远的过去发生过此类爆发，也可能将磷释放到周围环境中，而其化学痕迹至今仍可能存在。此前的研究甚至表明，银河系中大部分的磷可能都是通过这类恒星爆发产生的。

　　该团队的模型还强调，褐矮星大气中剧烈的活动可能有助于维持磷化氢的存在。垂直混合过程——即大气深层高温区域的气体不断向上翻腾，到达较冷的高层大气——可以防止磷化氢分解。在木星和土星的大气中，正是同样的过程使得磷化氢得以保留，否则它会因化学反应和阳光照射而被破坏。

　　这一发现表明，尽管褐矮星和气体巨行星在体积、温度和化学组成上存在巨大差异，但它们之间可能存在比此前认为的更多相似之处。同时，这也揭示出我们目前对磷在低温、低重元素环境中行为的理解仍存在不足。

　　正如伯加瑟所说：“了解在我们认为不存在生命的褐矮星大气中磷化氢的化学性质，对于我们利用这种分子寻找系外类地行星上的生命至关重要。”

　　2020年，科学家们曾报道在金星大气中检测到磷化氢，这一发现引发了关于该检测结果是否预示着微生物生命存在的争议。随后的研究对这一检测结果提出了质疑，但关于磷化氢作为生命信号（生物标志物）的争议仍在继续。

　　如今，韦伯望远镜在一颗“死亡”的褐矮星大气中确认了磷化氢的存在，情况变得更加复杂。如果磷化氢可以在非生物环境中自然形成，那么它可能不再是生命存在的明确标志。这些新发现强调，在对任何星球上的生命存在做出结论之前，了解该星球更广泛的化学环境至关重要。

　　这一发现彰显了韦伯望远镜记录遥远行星微弱分子信号的独特能力。该研究建立在数十年基础研究的基础上——包括大气模型、辐射传输代码以及由马利（Marley）、弗里德曼（Freedman）、坦尼森（Tennyson）和尤尔琴科（Yurchenko）等研究人员开发的分子数据库。

　　该研究得到了NASA、海森-西蒙斯基金会（Heising-Simons Foundation）、葡萄牙科学技术基金会（Portuguese Foundation for Science and Technology）以及英国研究与创新理事会（UK Research and Innovation Council）的支持。研究中使用的计算工具，如Sonora Elf-Owl+、Brewster和UCDMCMC代码，已被公开，供其他科学家在此基础上进一步研究。

　　除了化学层面的意义外，这项研究还展示了合作的力量。来自全球的天体物理学家、化学家和建模师结合各自的专业知识，共同破解了这一大气谜题，推动科学界重新思考已确立的假设。