Фосфор входит в шестерку главных химических элементов, без которых невозможна жизнь на Земле. Если соединить фосфор с водородом, получится фосфин — ядовитый газ, который к тому же любит взрываться при любой возможности. В Солнечной системе его нашли в атмосферах планет-гигантов вроде Юпитера и Сатурна. А еще фосфин давно рассматривают как потенциальную «зацепку» для поиска внеземной жизни: кажется, что на каменистых планетах вроде Земли этому газу просто неоткуда взяться без участия живых организмов. На нашей планете он, например, выделяется, когда гниют болотные растения.

И тут появляется команда астрономов во главе с Адамом Бургассером, профессором Калифорнийского университета в Сан-Диего. Они заявили, что нашли фосфин там, где не ждали, — в атмосфере старого и холодного коричневого карлика по имени Вольф 1130C. Исследование вышло в журнале Science. Самое интересное: ученые воспользовались телескопом имени Джеймса Уэбба, первым телескопом, который вообще способен разглядеть такие детали у далеких объектов.

Но главная загадка даже не в том, почему фосфин нашли. Загадка в том, почему его нет у других коричневых карликов и газовых гигантов за пределами Солнечной системы.

Программа, в рамках которой работает Бургассер, называется «Аркана Древних». Ученые в ее рамках изучают старые коричневые карлики с низким содержанием металлов — так они проверяют свои теории об атмосферной химии.

Разобраться с фосфином было нашей первой целью, — говорит Бургассер.

В атмосферах Юпитера и Сатурна, которые почти полностью состоят из водорода, фосфин образуется сам собой. Поэтому астрофизики давно предположили, что он должен быть и у газовых гигантов возле других звезд, и у их более тяжелых «кузенов» — коричневых карликов.

Эти объекты иногда называют «несостоявшимися звездами», потому что им не хватает массы, чтобы запустить ядерный синтез водорода.

Коричневый карлик — это космический объект, который не дотянул до звездного статуса, но и не стал полноценной планетой. Звездой ему стать не позволила масса: внутри него не хватило давления и температуры, чтобы запустить устойчивую термоядерную реакцию превращения водорода в гелий (то, благодаря чему светит Солнце). Однако он все же тяжелее обычных планет вроде Юпитера примерно в 13–80 раз. Этой массы достаточно, чтобы в недрах коричневого карлика ненадолго «загорелся» дейтерий (тяжелый изотоп водорода), но этого слишком мало для долгой и яркой жизни звезды. Поэтому такие объекты светятся очень тускло, в основном в инфракрасном диапазоне, и со временем остывают. Их называют „несостоявшимися звездами“. Атмосфера у них, как и у газовых гигантов, в основном состоит из водорода, что делает их идеальными природными лабораториями для изучения химии в экстремальных условиях, где нет излучения настоящей звезды.

Однако фосфин упорно ускользал от детекторов, даже когда «Уэбб» начал смотреть на другие объекты.

Получалось, что в наших знаниях о химии фосфора есть пробел.

До запуска «Уэбба» считалось, что фосфина в таких атмосферах должно быть много, это следовало из моделей, учитывающих турбулентное перемешивание газов, — объясняет Сэм Бейлер, выпускник Университета Толедо, а теперь постдок в Тринити-колледже в Дублине. — Но каждое наблюдение „Уэбба“ шло вразрез с теорией. И так было, пока мы не взялись за Вольфа 1130C.

Система Вольф 1130ABC находится в 54 световых годах от нас в созвездии Лебедя. Коричневый карлик Вольф 1130C кружит на дальней орбите вокруг пары из двух звезд — холодного красного карлика и массивного белого карлика. Астрономы давно любят этот объект: в нем очень мало «металлов» (то есть любых элементов тяжелее гелия) по сравнению с Солнцем.

В отличие от других коричневых карликов, фосфин в спектре Вольфа 1130C увидели сразу. Чтобы понять, что это значит, нужно было посчитать, сколько же там этого газа. За моделирование взялась Эйлин Гонсалес, доцент кафедры астрономии в Университете штата Сан-Франциско.

Чтобы определить количество разных молекул в атмосфере Вольфа 1130C, я использовала метод, который называется «атмосферный ретривал», — рассказывает Гонсалес. — Представьте, что вы пытаетесь восстановить рецепт невероятно вкусного печенья, а повар отказывается его раскрывать. Мы по данным „Уэбба“ вычисляем, сколько каких газов там должно быть.

Ее модели показали, что секретный ингредиент — фосфин — присутствует именно в том количестве, которое предсказывали теории: около 100 частей на миллиард.

Ученые, конечно, рады находке, но теперь перед ними встал новый вопрос: почему фосфин есть в этом коричневом карлике, но его нет в других?

Первая версия — как раз низкое содержание металлов.

Может быть, в обычных условиях фосфор связывается в другие соединения, например, в триоксид фосфора, — предполагает Бейлер. — А в атмосфере, обедненной металлами, на фосфор просто не хватает кислорода. Поэтому он связывается с водородом, которого там в избытке.

Команда планирует проверить эту гипотезу, поискав фосфин у других бедных металлами коричневых карликов.

Вторая версия связана с соседством. Рядом с коричневым карликом находится белый карлик (Вольф 1130B). Белые карлики — это «остывшие огарки» бывших звезд.

Они настолько плотные, что если на их поверхность что-то падает, может запуститься неуправляемая ядерная реакция — то, что мы называем новой, — объясняет Бургассер. — Мы не видели вспышек в этой системе, но циклы у новых могут длиться десятки тысяч лет. А мы знаем об этой системе всего век. Возможно, ранние, незамеченные вспышки засеяли окрестности фосфором.

Ранее уже выходили исследования, где предполагалось, что значительная часть фосфора в Млечном Пути могла образоваться именно в таких процессах.

Понимание того, почему у этого конкретного объекта есть четкий фосфиновый след, поможет по-новому взглянуть на то, как вообще фосфор образуется в галактике и как ведет себя в планетных атмосферах. Бургассер подводит итог:

Мы не ждем жизни на коричневых карликах, но если мы хотим использовать фосфин как маркер жизни на каменистых мирах у других звезд, мы сперва обязаны разобраться в его химии там, где жизни точно нет.

Для науки это исследование — как отмычка, которая открывает дверь в комнату, где мы хранили неверные чертежи. Во-первых, оно ломает старую теорию о том, что фосфин должен быть везде в водородных атмосферах. Оказалось, что природа не так предсказуема, и это заставляет переписать главы учебников по химии звездных атмосфер. Во-вторых, появляется новый метод: если мы поймем, почему на бедных металлами объектах фосфин виден, а на богатых — нет, мы научимся по спектру далекой планеты судить о ее составе с недоступной раньше точностью.

Что касается реальной жизни, то тут польза менее очевидна, но от этого не менее важна. Поиск биосигнатур — это в каком-то смысле страховка человечества. Если мы научимся отличать «химический» фосфин (рожденный в недрах звезды или после вспышки новой) от „биологического“ (рожденного микробами), мы либо найдем братьев по разуму, либо поймем, что мы уникальны. В любом случае, это меняет наше место во Вселенной. Плюс технологии, которые разрабатываются для „Уэбба“ и анализа его данных, рано или поздно находят применение в медицинской визуализации или материаловедении — просто потому, что методы обработки сигналов там очень похожи.

Главная уязвимость этого открытия кроется в той же детали, которая сделала его возможным: уникальности объекта.

Исследователи нашли фосфин на одном-единственном коричневом карлике с крайне низким содержанием металлов, который к тому же находится в тесной системе с белым карликом. Это сразу создает проблему множественности переменных. Что именно стало причиной появления фосфина?

1. Низкое содержание металлов (химическая особенность самого карлика)?
2. Внешнее «заражение» фосфором от вспышек белого карлика-соседа?
3. Или уникальное сочетание того и другого, которое вряд ли встретится где-то еще?

Вывод о том, что фосфин образуется в бедных металлами атмосферах, выглядит логичным, но он основан на выборке из одного объекта. В тексте упоминается, что каждое наблюдение «Уэбба» до этого шло вразрез с теорией, а значит, Вольф 1130C — скорее исключение, чем правило. Чтобы заявить о новом механизме химии (или о роли новых в синтезе фосфора), необходимо либо найти фосфин еще на нескольких подобных объектах, либо экспериментально (в моделях) доказать, что недостаток кислорода действительно блокирует образование оксидов фосфора, направляя реакцию в сторону фосфина. Пока же исследование ставит больше вопросов, чем дает ответов, что, безусловно, нормально для фундаментальной науки, но снижает степень надежности сделанных выводов.

Ранее ученые обнаружили коричнево-голубой карлик там, где никто не ожидал.