8 Minute
Cum a expus un „accident” cosmic chimia ascunsă a siliciului
Un pitic maro slab și foarte vechi poreclit „The Accident” a adus prima detectare clară a silanului (SiH4) într-o atmosferă din afara Terrei — o moleculă pe bază de siliciu mult prezisă teoretic, dar până acum absentă din observațiile planetelor gazoase precum Jupiter și Saturn. Descoperirea se bazează pe spectroscopie realizată cu Telescopul Spațial James Webb (JWST) al NASA și oferă perspective noi asupra comportamentului siliciului în atmosfere reci, bogate în hidrogen.
Această ilustrație realizată de un artist înfățișează un pitic maro — un obiect mai mare decât o planetă, dar care nu are suficientă masă pentru a porni fuziunea nucleară în nucleul său, așa cum se întâmplă la stele. La naștere, piticii maronii sunt fierbinți și pot emite o strălucire similară, însă pe măsură ce se răcesc ajung să aibă temperaturi comparabile cu cele ale planetelor gazoase precum Jupiter. Imaginea ajută la conceperea fizicii acestor obiecte, dar detaliile spectrale obținute cu JWST sunt cele care permit identificarea compușilor chimici din atmosferă.
Descoperirea: știința cetățenească, NEOWISE și spectroscopia Webb
„The Accident” a fost semnalat pentru prima dată în 2020 de un voluntar al proiectului de știință cetățenească Backyard Worlds: Planet 9, prin analiza datelor arhivate provenite din sondele infraroșii NEOWISE. Obiectul este un pitic maro: prea mic pentru a susține fuziunea stelară, dar suficient de masiv și fierbinte în faza de formare pentru a avea o structură atmosferică asemănătoare cu a giganților gazoși. Situat la aproximativ 50 de ani-lumină distanță și estimat a avea între 10 și 12 miliarde de ani, acesta s-a remarcat printr-un spectru care combină trăsături asociate în mod obișnuit atât piticilor maro tineri, cât și celor foarte bătrâni.
Datorită slabei sale luminozități și compoziției chimice neobișnuite, a fost nevoie de spectrometrul infraroșu extrem de sensibil al JWST pentru a separa semnalele atmosferice și a identifica semnăturile moleculare. Cercetătorii au raportat identificarea silanului într-un studiu publicat în Nature pe 4 septembrie. Silanul este o moleculă simplă formată din siliciu legat de hidrogen (SiH4) și fusese anticipată de modelele de chimie de echilibru pentru atmosfere reci dominate de hidrogen — însă detectările directe lipseau până acum, în principal din cauza limitărilor de sensibilitate ale instrumentelor anterioare.
După cum sugerează graficul, piticii maronii pot avea mase mult mai mari decât chiar și planetele gazoase mari precum Jupiter și Saturn. Cu toate acestea, ei rămân sub pragul de masă necesar pentru a porni reacțiile de fuziune nucleară în nucleu, ceea ce ar face din ei stele adevărate. Această poziție intermediară îi transformă în laboratoare naturale ideale pentru studierea proceselor atmosferice — suficient de masivi pentru a reține straturi complexe, dar fără zgomotul spectral al unei stele luminoase care ar masca anumite semnături chimice.
De ce silanul este rar în planetele giganți observate
Siliciul este foarte abundent în univers, însă în atmosferele planetare se leagă cu ușurință de oxigen pentru a forma minereuri silicatice și oxizi (de exemplu cuarțul) care servesc ca nucleu pentru nori și condensate. În giganții gazoși mai fierbinți, norii de silicat se formează la niveluri înalte ale atmosferei; pe lumi mai reci, precum Jupiter și Saturn, aceste condensate sunt de așteptat să se scufunde sub straturi de nori de apă și amoniac, ascunzând astfel chimia siliciului din observațiile îndepărtate. Practic, siliciul „dispare” în minerale solide sau condensate care nu sunt ușor detectabile prin spectroscopie în partea superioară a atmosferei.
Modelele chimice de echilibru preconizează însă că, atunci când oxigenul este mai puțin disponibil relativ la siliciu, o parte mai mare a siliciului rămâne liberă pentru a forma specii ușoare hidrogenate, precum silanul. Echipa de cercetare sugerează că „The Accident” s-a format foarte devreme în istoria cosmică, într-un mediu interstelar cu o proporție relativ scăzută de oxigen în comparație cu obiectele formate mai recent. Cu mai puțin oxigen disponibil pentru a lega siliciul, o fracțiune mai mare de siliciu ar fi putut rămâne în stare gazoasă și combina cu hidrogenul pentru a produce SiH4 detectabil. Aceasta ilustrează cum abundențele elementare (de exemplu raportul O/Si) și istoricul chimic al mediului de formare influențează compoziția atmosferelor pe termen lung.
Implicații pentru chimia planetară și a exoplanetelor
Detectarea silanului în acest pitic maro antic confirmă că siliciul poate exista sub formă de molecule hidrogenate în fază gazoasă, dacă sunt îndeplinite condițiile potrivite de abundențe elementare și temperatură. Acest rezultat oferă o cheie pentru înțelegerea motivului pentru care silanul a lipsit din spectrele lui Jupiter, Saturn, ale altor pitici maronii și ale multor exoplanete: în condiții mai bogate în oxigen, chimia oxigenului predomina și „închidea” siliciul în condensate care se scufundă și devin invizibile pentru observațiile la lungimi de undă specifice.
Mai mult, confirmarea silanului furnizează date esențiale pentru calibrul modelelor teoretice care sunt folosite pentru a interpreta atmosferele planetare. Modelele de echilibru chimic, combinate cu modele de transport vertical (mixare turbulentă, convecție) și procese cinetice, pot explica nu doar prezența unei specii, ci și profilul său vertical în atmosferă. De exemplu, dacă silanul este produs în straturile profunde dar nu reacționează sau nu se condensează rapid, mixarea verticală îl poate aduce în regiuni mai reci unde apare ca semnătură spectroscopică. În situații inverse, conversia chimică sau condensarea pot suprima semnalul la altitudini observabile.
„Uneori, obiectele extreme ne ajută să înțelegem ce se întâmplă la cele obișnuite”, a spus lidera studiului Faherty de la American Museum of Natural History. Peter Eisenhardt de la JPL, om de știință pentru proiectul WISE, a adăugat: „Nu ne propusesem să rezolvăm o enigmă legată de Jupiter și Saturn cu aceste observații... Am vrut să înțelegem de ce acest pitic maro este atât de ciudat, dar nu ne așteptam la silan. Universul continuă să ne surprindă.” Declarațiile scot în evidență rolul neașteptat al descoperirilor prin observare în rafinarea teoriei.
Această constatare subliniază valoarea combinării sondelor infraroșii cu acoperire largă, a implicării publicului în știință și a spectroscopiei de urmărire realizate cu JWST. Piticii maronii, care în general nu au un companion stelar puternic ce le-ar complica spectrele, oferă laboratoare mai curate pentru chimia atmosferică; aceste studii pot informa apoi modelele aplicate exoplanetelor și, în final, interpretarea spectrelor planetelor stâncoase potențial locuibile. În plus, pe măsură ce catalogăm mai mulți pitici maronii cu caracteristici variate (vârste, mase, compoziții), vom putea testa sistematic cum variază chimia siliciului și a altor elemente cu condițiile de mediu.
Concluzie
Detectarea silanului în „The Accident” reprezintă o confirmare țintită că abundențele elementare (în special oxigenul) și structura termică controlează chimia siliciului în atmosferele giganților. Pe măsură ce JWST și misiunile viitoare extind eșantionul atmosferelor caracterizate, tabloul observațional al siliciului, silicaților și al chimiei volatile va deveni tot mai complet — îmbunătățind astfel înțelegerea noastră atât a planetelor din sistemul solar, cât și a numărului tot mai mare de exoplanete descoperite. În practică, aceste rezultate vor ghida selecția țintelor pentru observații ulterioare, optimizarea modelelor atmosferice și interpretarea semnalelor chimice atunci când căutăm indicii despre formarea planetară, evoluția atmosferelor și, în cele din urmă, potențiala habitabilitate a lumilor îndepărtate.
Sursa: scitechdaily
Comentarii