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磷與碳、氫、氧、氮、硫是地球生命必需的6種關(guān)鍵元素。磷和氫結(jié)合會生成磷化氫氣體，不僅危險、容易爆炸，還含有劇毒。在宇宙中，木星、土星等氣態(tài)巨行星的大氣層里也存在磷化氫。科學(xué)家一直認(rèn)為，這可能是“不需要氧氣就能活的生物”（厭氧生物）存在的線索——在地球上，大氣層里自然產(chǎn)生的磷化氫特別少，大部分是有機(jī)沼澤物質(zhì)的副產(chǎn)品。

美國加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校天文學(xué)和天體物理學(xué)教授Adam Burgasser領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團(tuán)隊，在一顆名為Wolf1130C的古老冷褐矮星大氣中探測到磷化氫。近日，相關(guān)成果發(fā)表于《科學(xué)》。

由于木星、土星等氣態(tài)巨行星的大氣層含有大量的氫，能夠自然形成磷化氫，因此科學(xué)家一直認(rèn)為其他恒星周圍的氣態(tài)巨行星大氣層也應(yīng)該有磷化氫，質(zhì)量比它們更大的“親戚”——褐矮星的大氣層里應(yīng)該也有這種物質(zhì)。然而直到Wolf1130C被發(fā)現(xiàn)，這一點(diǎn)在此前的觀測中并未被證實(shí)。

Wolf1130C位于距離太陽約54光年的天鵝座，是Wolf1130ABC恒星系統(tǒng)的一部分。這個系統(tǒng)的“核心”是一對緊密繞轉(zhuǎn)的雙星——Wolf1130A和Wolf1130B。其中Wolf1130A是一顆小質(zhì)量的紅矮星，是宇宙中最常見的恒星類型；Wolf1130B則是一顆大質(zhì)量白矮星，是恒星死亡后留下的致密殘核，密度極高但體積很小。在這對雙星之外，這次研究的主角——Wolf1130C正沿著一條寬闊的軌道緩緩繞行。

天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)Wolf1130C的金屬（天文學(xué)中對“氫和氦以外元素”的統(tǒng)稱）豐度遠(yuǎn)低于太陽。這種低金屬豐度特征，讓它成為研究褐矮星形成與演化的“天然實(shí)驗(yàn)室”。通過它，科學(xué)家或許可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)原始星云中的重元素（如碳、氧、鐵）含量極少時，褐矮星的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)會發(fā)生怎樣的變化。

經(jīng)過觀測，研究團(tuán)隊在美國國家航空航天局詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡紅外光譜數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了Wolf1130C上有磷化氫存在的特征，并使用大氣反演建模技術(shù)，確定了磷化氫以約千萬分之一的理論預(yù)測豐度存在于大氣中。他們認(rèn)為，之所以會在這里找到磷化氫氣體，一種可能性是Wolf1130C大氣中的低金屬豐度“解放”了磷；另一種可能性是磷是在Wolf1130ABC系統(tǒng)中局部產(chǎn)生的，特別是由白矮星Wolf1130B產(chǎn)生的。

南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院副教授張曾華是該觀測項(xiàng)目的共同首席研究員和論文共同作者。在研究中，張曾華等人對Wolf1130A的金屬豐度進(jìn)行了測量，這直接關(guān)系到對Wolf1130C大氣化學(xué)環(huán)境的理解。“紅矮星的質(zhì)量和半徑都只有太陽的1/10~1/2，通常很難準(zhǔn)確測量它們的金屬豐度。”張曾華解釋說。目前他正在進(jìn)一步研究Wolf1130A的化學(xué)豐度，以及Wolf1130AB這個密近雙星的幾何構(gòu)型、星風(fēng)吸積和磁場分布等物理特性。這些研究將有助于更全面地理解這個獨(dú)特系統(tǒng)中存在磷化氫的原因。

“理解這顆褐矮星為什么顯示出清晰的磷化氫特征，可能會為銀河系中磷的合成及其在行星大氣中的化學(xué)性質(zhì)帶來新見解。如果天文學(xué)家希望使用這種分子在太陽系外的類地天體中尋找生命，理解褐矮星大氣中的磷化氫化學(xué)是至關(guān)重要的第一步。”張曾華說。

接下來，研究團(tuán)隊計劃通過詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡進(jìn)一步探索這些可能性，并在其他貧金屬褐矮星的大氣中尋找磷化氫，以驗(yàn)證他們的假設(shè)并深化對這一現(xiàn)象的理解。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adu0401