La scoperta di fosfina nell'atmosfera di una nana bruna antica e povera di metalli sta costringendo gli astrofisici a riconsiderare le loro teorie sulla chimica atmosferica degli oggetti sustellari e sulla distribuzione del fosforo nella nostra galassia. Un team guidato da Adam Burgasser, professore di astronomia e astrofisica presso l'Università della California a San Diego, ha individuato questo composto volatile in Wolf 1130C, una nana bruna situata a 54 anni luce dalla Terra nella costellazione del Cigno. Il risultato, pubblicato sulla rivista Science, rappresenta un enigma scientifico: la fosfina è assente proprio dove ci si aspettava di trovarla e compare invece in un ambiente considerato improbabile.
Le nane brune, spesso definite "stelle mancate" perché troppo piccole per innescare la fusione dell'idrogeno nei loro nuclei, condividono molte caratteristiche con i giganti gassosi come Giove e Saturno. La fosfina, un gas altamente tossico ed esplosivo formato da fosforo e idrogeno, si produce naturalmente nelle atmosfere ricche di idrogeno di questi corpi celesti attraverso processi chimici legati alla convezione turbolenta. Sulla Terra, questo composto emerge dalla decomposizione di materiale organico nelle paludi ed è considerato una potenziale biosignatura per forme di vita anaerobica. Proprio per questo motivo, gli scienziati sono da tempo interessati a identificarla su esopianeti e nane brune, dove potrebbe rivelare indizi sulla chimica prebiotica o persino sulla presenza di organismi.
Prima dell'avvento del James Webb Space Telescope, i modelli teorici prevedevano che la fosfina dovesse essere abbondante nelle atmosfere di nane brune ed esopianeti giganti, in concentrazioni paragonabili a quelle osservate su Giove. Tuttavia, le osservazioni condotte con JWST hanno ripetutamente disatteso queste aspettative. "Ogni osservazione ottenuta con JWST ha sfidato le previsioni teoriche, almeno fino a quando non abbiamo osservato Wolf 1130C", ha spiegato Sam Beiler, ricercatore postdottorale al Trinity College di Dublino che ha recentemente conseguito il dottorato presso l'Università di Toledo e che aveva già condotto studi precedenti proprio sull'assenza anomala di fosfina.
Wolf 1130C orbita all'interno di un sistema triplo complesso, composto da una stella rossa fredda (Wolf 1130A) e una nana bianca densa (Wolf 1130B). Ciò che rende questo oggetto particolarmente interessante per gli astronomi è la sua composizione chimica primitiva: contiene una frazione di "metalli" – termine con cui gli astrofisici indicano tutti gli elementi più pesanti di idrogeno ed elio – significativamente inferiore rispetto al Sole. Questa caratteristica lo trasforma in un laboratorio naturale per studiare la chimica cosmica primordiale, simile a quella che caratterizzava l'universo nelle sue fasi iniziali.
Per determinare con precisione l'abbondanza molecolare nella turbolenta atmosfera di Wolf 1130C, il team ha collaborato con Eileen Gonzales, professoressa assistente alla San Francisco State University, specializzata in modellazione atmosferica. "Ho utilizzato una tecnica nota come atmospheric retrievals, che impiega i dati del JWST per ricostruire a ritroso le quantità di ciascuna specie molecolare gassosa presente nell'atmosfera", ha dichiarato Gonzales. "È come fare ingegneria inversa su un biscotto delizioso quando lo chef non vuole rivelare la ricetta". Questa metodologia, ampiamente utilizzata nello studio degli esopianeti, consente di estrarre informazioni chimiche dettagliate dalla luce infrarossa che attraversa o viene emessa dall'atmosfera di un corpo celeste.
L'apparente contraddizione – fosfina assente dove dovrebbe esserci e presente dove non ci si aspettava – suggerisce che i ricercatori potrebbero aver trascurato processi chimici fondamentali. Una delle ipotesi avanzate riguarda proprio la composizione insolita di Wolf 1130C. "Potrebbe essere che in condizioni normali il fosforo sia legato in un'altra molecola, come il triossido di fosforo", ha spiegato Beiler. "Nell'atmosfera povera di metalli di Wolf 1130C non c'è abbastanza ossigeno per catturare il fosforo, permettendo alla fosfina di formarsi grazie all'abbondante idrogeno presente". Questa teoria implica che la disponibilità di ossigeno atmosferico giochi un ruolo cruciale nel determinare quali composti del fosforo possano esistere stabilmente.
Esiste però anche una seconda ipotesi, più esotica, legata alla presenza della nana bianca Wolf 1130B nel sistema. Le nane bianche sono resti stellari estremamente densi, residui di stelle che hanno esaurito il loro combustibile nucleare. Quando accumulano materiale sulla loro superficie, possono innescare reazioni nucleari incontrollate che osserviamo come novae, esplosioni termonucleari ricorrenti. "Sebbene non abbiamo osservato eventi di nova in questo sistema nella storia recente, tali eruzioni si verificano tipicamente ogni poche migliaia di anni", ha sottolineato Burgasser. Dato che Wolf 1130ABC è conosciuto da appena un secolo, eruzioni precedenti potrebbero essere passate inosservate, lasciando tracce di fosforo nello spazio circostante. Ricerche precedenti hanno suggerito che molti degli atomi di fosforo presenti nella Via Lattea potrebbero provenire proprio da queste esplosioni stellari.
Il programma di ricerca che ha portato a questa scoperta, denominato Arcana of the Ancients, si concentra specificamente su nane brune antiche e povere di metalli come strumento per testare la comprensione della chimica atmosferica. "Comprendere il problema della fosfina era uno dei nostri primi obiettivi", ha affermato Burgasser. Il team prevede ora di osservare altre nane brune con composizioni chimiche simili utilizzando il JWST per verificare se il pattern si ripete e confermare quale delle ipotesi proposte sia corretta.
Le implicazioni di questa ricerca vanno oltre la semplice comprensione della chimica delle nane brune. La fosfina è stata recentemente al centro di controversie come potenziale biosignatura nell'atmosfera di Venere, sebbene quelle rilevazioni rimangano dibattute. "Comprendere la chimica della fosfina nelle atmosfere di nane brune, dove non ci aspettiamo forme di vita, è cruciale se speriamo di utilizzare questa molecola nella ricerca di vita su mondi terrestri oltre il sistema solare", ha concluso Burgasser. Distinguere tra processi abiotici che producono fosfina e possibili origini biologiche richiede infatti una conoscenza approfondita di tutti i meccanismi chimici in gioco. Questo lavoro, finanziato dalla NASA/STScI e dalla Heising-Simons Foundation, rappresenta un passo importante verso la definizione di criteri rigorosi per interpretare future scoperte di composti potenzialmente legati alla vita su esopianeti rocciosi.