磷是地球生命所必需的六种关键元素（碳、氢、氧、氮、磷、硫）之一。当与氢结合时，磷形成磷化氢（PH3）分子，这是一种易爆、剧毒的气体。磷化氢存在于气态巨行星木星和土星的大气中，长期以来被认为是厌氧生物可能的生命征迹，因为在类地行星大气中这种气体的自然来源很少。在地球上，磷化氢是腐烂的有机沼泽物质的副产品。
图1: 詹姆斯·韦伯太空望远镜对Wolf 1130 C（浅蓝线）和典型褐矮星（灰线）的红外光谱观测对比。彩色波段突出显示了这些光谱中与水（H2O）、甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）和磷化氢（PH3）相关的分子吸收特征，其中磷化氢仅出现在Wolf 1130 C 的光谱中。右侧放大的面板突出显示了磷化氢产生的吸收带，该面板比较了Wolf 1130 C（浅蓝线）和纯磷化氢（绿线）的光谱。[图片来源：Adam Burgasser]
现在，由加州大学圣迭戈分校天文学和天体物理学教授亚当·伯加瑟（Adam Burgasser）领导的国际研究团队报告了在一颗名为Wolf 1130 C的古老的冷褐矮星大气中探测到磷化氢（如图1）。这项突破性发现发表在《科学》杂志上。
磷化氢是通过詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的观测在Wolf 1130 C的大气中探测到的，这是第一台具有足够灵敏度来详细观察这些天体的望远镜。然而，神秘之处不在于为什么发现了磷化氢，而在于为什么它在其它褐矮星和气态巨行星系外行星大气中缺失。
这个名为"远古奥秘"的JWST观测项目专注于古老、贫金属的褐矮星，作为测试天文学家对大气化学理解的手段。理解磷化氢的问题是该项目的首要目标之一。
在木星和土星等气态巨行星富含氢的大气中，磷化氢会自然形成。因此，科学家长期以来预测磷化氢应该存在于围绕其它恒星运行的气态巨行星大气中，以及它们质量更大的表亲——褐矮星的大气中。褐矮星有时被称为"失败的恒星"，因为它们不进行氢聚变。
然而，即使在之前的JWST观测中，磷化氢也基本上未被探测到，这表明天文学家对磷化学的理解存在问题。在JWST之前，根据理论预测，磷化氢应该在系外行星和褐矮星大气中很丰富，这种预测基于已知存在于这些源中的湍流混合。但每一次新的JWST观测都挑战了这些理论预测，直到观测到Wolf 1130 C。
图2: Wolf 1130 ABC 三星系统的示意图，由红矮星 Wolf 1130 A、其近距离致密白矮星伴星Wolf 1130 B，以及遥远的褐矮星Wolf 1130 C 组成。该系统的三个成员星按其相对大小按比例显示，间距不等比例。[图片来源：Adam Burgasser]
在距离太阳54光年的天鹅座天区恒星系统Wolf 1130 ABC中（如图2），褐矮星Wolf 1130 C沿着宽轨道围绕一个紧密的双星系统运行，该系统由一颗红矮星（Wolf 1130 A）和一颗大质量白矮星（Wolf 1130 B）组成。由于其"金属"（氢和氦以外的任何元素）丰度比太阳低很多，Wolf 1130 C一直是褐矮星领域的天文学家重点研究的目标。
与其它褐矮星不同，研究团队在Wolf 1130 C的JWST红外光谱数据中轻松发现了磷化氢（如图1）。为了充分理解他们发现的含义，他们需要量化这种气体在Wolf 1130 C大气中的丰度。
通过使用一种称为大气反演的建模技术，研究人员确定了Wolf 1130 C中分子的丰度。这种技术使用JWST数据来反推大气中应该有多少每种分子气体。模型显示，磷化氢以约千万分之一的理论预测丰度存在于Wolf 1130 C的大气中。
研究人员对他们的发现感到高兴的同时，它提出了一个关键问题：为什么磷化氢存在于这颗褐矮星的大气中而不是其它褐矮星中？
一种可能性是Wolf 1130 C大气中的低金属丰度改变了其潜在的化学性质。在正常条件下，磷可能被束缚在另一种分子中，如三氧化二磷。而在Wolf 1130 C的贫金属大气中，没有足够的氧来占据磷，使磷化氢能够从丰富的氢中形成。
另一种可能性是磷是在Wolf 1130 ABC系统中局部产生的，特别是由其白矮星Wolf 1130 B产生的。白矮星是恒星完成氢聚变后留下的残核，密度极高。当它们在表面吸积物质时，可能会发生失控的核反应，天文学家将其称为新星。虽然在最近的历史中没有看到Wolf 1130 ABC系统中有此类事件的证据，但新星通常有数千年到数万年的爆发周期。早期未被观察到的爆发可能留下了磷污染的遗迹。
图3: Wolf 1130 ABC 三星系统的示意图，由红矮星 Wolf 1130 A、其近距离致密白矮星伴星Wolf 1130 B，以及遥远的褐矮星 Wolf 1130 C 组成。该系统的三个成员星按其相对大小缩放显示，并与左侧的太阳图像进行比较。[图片来源：Adam Burgasser]
南京大学天文与空间科学学院副教授张曾华作为这个JWST观测项目的共同首席研究员以及论文的共同作者，在这项研究中发挥了重要作用。张曾华的贡献对于理解Wolf 1130 A的金属丰度测量至关重要，这直接关系到对Wolf 1130 C大气化学环境的理解。红矮星的质量和半径都只有太阳的0.1-0.5倍（如图3）。我们通常很难准确测量它们的金属丰度。张曾华目前正带领团队进一步深入研究Wolf 1130 A 的化学丰度，以及Wolf 1130 AB这个密近双星的几何构型、星风吸积和磁场分布等物理特性。这些研究将有助于更全面地理解磷化氢在这个独特系统中存在的原因。
理解为什么这颗褐矮星显示出清晰的磷化氢特征可能会带来对银河系中磷的合成及其在行星大气中的化学性质的新见解。如果天文学家希望使用这种分子在太阳系外的类地世界上寻找生命，理解褐矮星大气中的磷化氢化学是至关重要的第一步。
研究团队计划通过新的JWST观测来进一步探索这些可能性，在其它贫金属褐矮星的大气中寻找磷化氢，以验证他们的假设并深化对这一现象的理解。
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