Posible biofirma en la inhóspita atmósfera de una enana marrón

Observaciones con el telescopio espacial James Webb (JWST) han detectado fosfina, una posible biofirma, en la inhóspita atmósfera de una antigua y fría enana marrón llamada Wolf 1130C.

El fósforo es uno de los seis elementos clave necesarios para la vida en la Tierra. Al combinarse con hidrógeno, el fósforo forma la molécula fosfina (PH3), un gas explosivo y altamente tóxico.

La fosfina, presente en las atmósferas de los planetas gigantes gaseosos Júpiter y Saturno, se reconoce desde hace tiempo como una posible biofirma de la vida anaeróbica, ya que existen pocas fuentes naturales de este gas en las atmósferas de los planetas terrestres. En la Tierra, la fosfina es un subproducto de la materia orgánica en descomposición de los pantanos.

Un equipo de investigadores, dirigido por Adam Burgasser, profesor de Astronomía y Astrofísica de la Universidad de California en San Diego, ha publicado un nuevo estudio relacionado en Science.

Se detectó fosfina en la atmósfera de Wolf 1130C mediante observaciones obtenidas con el Telescopio Espacial James Webb (JWST), el primer telescopio con la sensibilidad necesaria para observar estos objetos celestes en detalle. Sin embargo, el misterio no radica en el hallazgo de fosfina, sino en su ausencia en las atmósferas de otros exoplanetas enanos marrones y gigantes gaseosos.

"Nuestro programa astronómico, llamado Arcana of the Ancients, se centra en enanas marrones antiguas y pobres en metales para evaluar nuestra comprensión de la química atmosférica", declaró en un comunicado Burgasser, autor principal. "Comprender el problema de la fosfina fue uno de nuestros primeros objetivos".

En las atmósferas ricas en hidrógeno de planetas gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno, la fosfina se forma de forma natural. Por ello, los científicos llevan tiempo prediciendo que la fosfina debería estar presente en las atmósferas de los gigantes gaseosos que orbitan otras estrellas y en sus primos más masivos, las enanas marrones, objetos a veces denominados "estrellas fallidas" porque no fusionan hidrógeno. Sin embargo, la fosfina ha eludido en gran medida la detección, incluso en observaciones previas del JWST, lo que sugiere problemas con nuestra comprensión de la química del fósforo.

"Antes del JWST, se esperaba que la fosfina fuera abundante en las atmósferas de exoplanetas y enanas marrones, siguiendo predicciones teóricas basadas en la mezcla turbulenta que sabemos que existe en estas fuentes", afirmó el coautor Sam Beiler, graduado de la Universidad de Toledo y actual investigador postdoctoral en el Trinity College de Dublín.

Beiler, quien dirigió trabajos previos sobre la falta de fosfina en enanas marrones, declaró: "Todas las observaciones que hemos obtenido con el JWST han cuestionado las predicciones teóricas, hasta que observamos Wolf 1130C".

En el sistema estelar Wolf 1130ABC, ubicado a 54 años luz del Sol en la constelación del Cisne, la enana marrón Wolf 1130C describe una órbita amplia alrededor de un sistema estelar doble compacto, compuesto por una estrella roja fría (Wolf 1130A) y una enana blanca masiva (Wolf 1130B).

Wolf 1130C ha sido una fuente predilecta para los astrónomos de enanas marrones debido a su baja abundancia de "metales" (esencialmente, cualquier elemento que no sea hidrógeno y helio) en comparación con el Sol.

A diferencia de otras enanas marrones, el equipo detectó fácilmente fosfina en los datos espectrales infrarrojos de Wolf 1130C del JWST. Para comprender plenamente las implicaciones de sus hallazgos, necesitaban cuantificar la abundancia de este gas en la atmósfera de Wolf 1130C. Esto fue realizado por la profesora adjunta de Astronomía de la Universidad Estatal de San Francisco, Eileen Gonzales, también coautora del estudio.

"Para determinar la abundancia de moléculas en Wolf 1130C, utilicé una técnica de modelado conocida como recuperación atmosférica", explicó Gonzales.

"Esta técnica utiliza los datos del JWST para determinar la cantidad de cada especie de gas molecular que debería haber en la atmósfera. Es como aplicar ingeniería inversa a una galleta deliciosa cuando el chef no quiso revelar la receta".

Los modelos de Gonzales demostraron que la fosfina abundante era el ingrediente secreto de Wolf 1130C. En concreto, descubrió que la fosfina estaba presente en las abundancias teóricas previstas de aproximadamente 100 partes por mil millones.

¿Por qué hay fosfina presente en la atmósfera de esta enana marrón y no en otras?, se preguntan los investigadores. Una posibilidad es la baja abundancia de metales en la atmósfera de Wolf 1130C, lo que podría alterar su composición química subyacente. "Es posible que, en condiciones normales, el fósforo esté ligado a otra molécula, como el trióxido de fósforo", explicó Beiler.

"En la atmósfera pobre en metales de Wolf 1130C, no hay suficiente oxígeno para absorber el fósforo, lo que permite la formación de fosfina a partir del abundante hidrógeno".

El equipo espera explorar esta posibilidad con nuevas observaciones del JWST que buscarán fosfina en las atmósferas de otras enanas marrones pobres en metales.

Otra posibilidad es que el fósforo se generara localmente en el sistema Wolf 1130ABC, concretamente por su enana blanca, Wolf 1130B.

"Una enana blanca es la cáscara sobrante de una estrella que ha terminado de fusionar su hidrógeno", explicó Burgasser. Son tan densos que, al acumular material en su superficie, pueden experimentar reacciones nucleares descontroladas, que detectamos como novas.

Aunque los astrónomos no han observado evidencia de tales eventos en el sistema Wolf 1130ABC en la historia reciente, las novas suelen tener ciclos de erupciones de miles a decenas de miles de años. Este sistema se conoce desde hace poco más de un siglo, y erupciones tempranas, nunca antes vistas, podrían haber dejado un legado de contaminación por fósforo.

Estudios anteriores han propuesto que una fracción significativa del fósforo en la Vía Láctea podría haberse sintetizado mediante este proceso. Comprender por qué esta enana marrón muestra una clara señal de fosfina podría conducir a nuevos conocimientos sobre la síntesis de fósforo en la Vía Láctea y su composición química en las atmósferas planetarias.

Burgasser explica: "Comprender la composición química de la fosfina en las atmósferas de las enanas marrones, donde no esperamos vida, es crucial si esperamos utilizar esta molécula en la búsqueda de vida en mundos terrestres más allá de nuestro sistema solar".