Jedną z wieloletnich zagadek, która dręczy naukowców planetarnych, jest pytanie, dlaczego krzem, jeden z najpowszechniejszych pierwiastków w całym wszechświecie, jest praktycznie niewidoczny w atmosferach gazowych olbrzymów naszego Układu Słonecznego, Jowisza i Saturna. Chociaż wszystkie teorie wskazywały na jego obecność, bezpośrednie dowody uporczywie umykały. Jednakże, niedawne badanie, opublikowane w zeszłym tygodniu w prestiżowym czasopiśmie Nature, rzuca zupełnie nowe światło na ten problem, a kluczowa wskazówka nadeszła z nieoczekiwanego kierunku – od niezwykłego obiektu kosmicznego, który astronomowie ze względu na jego mylące cechy trafnie nazwali „Wypadek” (The Accident).

Ten unikalny obiekt, przeanalizowany z niewiarygodną precyzją przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba NASA, pomógł naukowcom lepiej zrozumieć ukrytą chemię, która zachodzi głęboko w atmosferach nie tylko Jowisza i Saturna, ale potencjalnie także tysięcy egzoplanet krążących wokół innych gwiazd. Rozwiązanie tajemnicy, jak się wydaje, leży w odległej przeszłości wszechświata i warunkach, które panowały w czasie formowania się tego starożytnego ciała niebieskiego.

Przypadkowe Odkrycie, Które Zmienia Wszystko

„Wypadek” to w rzeczywistości brązowy karzeł, fascynujący obiekt znajdujący się w „szarej strefie” między planetami a gwiazdami. Składa się z ogromnej kuli gazu, masywniejszej od największych planet, ale niewystarczająco masywnej, aby w swoim jądrze rozpocząć proces fuzji jądrowej, który daje gwiazdom ich blask. Jednak nawet wśród swoich trudnych do sklasyfikowania krewnych, „Wypadek” się wyróżnia. Wykazuje zdumiewającą mieszankę cech fizycznych – niektóre są charakterystyczne dla bardzo młodych brązowych karłów, podczas gdy inne widziano tylko u wyjątkowo starych.

Właśnie z powodu tej niezwykłej kombinacji właściwości, obiekt ten przez lata unikał standardowych metod detekcji. Został odkryty zaledwie pięć lat temu, i to nie przez profesjonalnego astronoma, ale przez naukowca-obywatela uczestniczącego w projekcie Backyard Worlds: Planet 9. Program ten umożliwia wolontariuszom na całym świecie przeglądanie ogromnych ilości danych zebranych przez już wycofaną misję NASA NEOWISE (Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer) i w ten sposób przyczynianie się do nowych odkryć naukowych. „Wypadek” jest tak słaby i dziwny, że do zbadania jego atmosfery naukowcy musieli użyć najpotężniejszego obserwatorium kosmicznego, jakim dysponuje ludzkość – Teleskopu Jamesa Webba.

Spojrzenie Webba w Serce Tajemnicy

Obserwacje za pomocą Webba przyniosły kilka niespodzianek, ale jedna szczególnie się wyróżniała. W widmie atmosferycznym „Wypadku” naukowcy zauważyli wyraźną sygnaturę cząsteczki, której początkowo nie potrafili zidentyfikować. Dokładniejsza analiza wykazała, że jest to silan (SiH4), prosta cząsteczka składająca się z jednego atomu krzemu i czterech atomów wodoru. Odkrycie to odbiło się echem w społeczności naukowej, ponieważ badacze od dawna przypuszczali, ale nigdy nie zdołali udowodnić, istnienia silanu w atmosferach gazowych olbrzymów, zarówno w naszym systemie, jak i poza nim. „Wypadek” jest pierwszym tego typu obiektem, w którym ta cząsteczka została jednoznacznie zidentyfikowana.

Naukowcy są przekonani, że krzem istnieje w atmosferach Jowisza i Saturna, ale jest umiejętnie ukryty przed naszymi instrumentami. Dominująca teoria głosi, że krzem w obecności tlenu bardzo łatwo się z nim wiąże, tworząc tlenki krzemu, takie jak kwarc. Te ciężkie cząsteczki służą następnie jako jądra kondensacji do tworzenia chmur pyłu krzemianowego, podobnych do burz piaskowych na Ziemi. Na chłodniejszych gazowych olbrzymach, jakimi są Jowisz i Saturn, te ciężkie chmury krzemianowe opadają głęboko w atmosferę, poniżej lżejszych warstw chmur pary wodnej i amoniaku. Tam pozostają uwięzione, zbyt głęboko, by mogły je wykryć nawet statki kosmiczne, które badały te planety z bliska. Chociaż niektórzy naukowcy teoretyzowali, że lżejsze cząsteczki, takie jak silan, powinny pozostawać w wyższych warstwach atmosfery, niczym ślady mąki na stole piekarza, do tej pory nigdzie ich не znaleziono. Fakt, że pojawiły się tylko w jednym, i to bardzo niezwykłym brązowym karle, sugeruje coś kluczowego o procesach chemicznych w takich środowiskach.

„Czasami potrzebujemy właśnie ekstremalnych obiektów, aby zrozumieć, co dzieje się w tych przeciętnych”, oświadczyła Jackie Faherty, badaczka w Amerykańskim Muzeum Historii Naturalnej w Nowym Jorku i główna autorka nowego badania.

Kosmiczny Wehikuł Czasu

„Wypadek”, położony około 50 lat świetlnych od Ziemi, prawdopodobnie powstał 10 do 12 miliardów lat temu, co czyni go jednym z najstarszych odkrytych brązowych karłów. Biorąc pod uwagę, że wszechświat ma około 13,8 miliarda lat, obiekt ten jest prawdziwym kosmicznym reliktem, uformowanym w czasie, gdy kosmos był zupełnie innym miejscem. W tej wczesnej epoce wszechświat składał się prawie wyłącznie z wodoru i helu, z zaledwie śladowymi ilościami cięższych pierwiastków, w tym krzemu.

Pierwiastki takie jak węgiel, azot i, co kluczowe dla tej historii, tlen, powstały później, w ognistych jądrach gwiazd, które żyły i umierały na przestrzeni eonów. Dlatego planety i gwiazdy, które powstały w nowszych czasach, posiadają znacznie większe ilości tych pierwiastków. Obserwacje Webba potwierdzają właśnie tę hipotezę: silan może tworzyć się w atmosferach brązowych karłów i planet, ale jego brak w młodszych obiektach sugeruje, że gdy tlen jest dostępny, wiąże się on z krzemem z wyjątkową łatwością i skutecznością. W tej chemicznej „przeciąganiu liny” tlen praktycznie „pożera” cały dostępny krzem, nie pozostawiając go wcale do związania się z wodorem i utworzenia silanu.

Dlaczego więc silan istnieje w „Wypadku”? Autorzy badania dochodzą do wniosku, że powodem jest właśnie wiek tego brązowego karła. W czasie jego formowania się, we wszechświecie było znacznie mniej tlenu. Z powodu ubóstwa atmosfery w tlen, krzem nie miał z czym tworzyć ciężkich tlenków. Zamiast tego, związał się z najpowszechniejszym pierwiastkiem w otoczeniu – wodorem – co zaowocowało powstaniem silanu, który Webb zdołał teraz wykryć.

„Nie rozpoczęliśmy tych obserwacji z zamiarem rozwiązania tajemnicy Jowisza i Saturna”, powiedział Peter Eisenhardt z Laboratorium Napędu Odrzutowego (JPL) NASA, naukowiec projektu misji WISE. „Brązowy karzeł to kula gazu jak gwiazda, ale bez wewnętrznego reaktora termojądrowego, stale się ochładza i ma atmosferę podobną do atmosfery gazowych olbrzymów. Chcieliśmy dowiedzieć się, dlaczego ten brązowy karzeł jest tak dziwny, ale nie spodziewaliśmy się silanu. Wszechświat nie przestaje nas zadziwiać.”

Okno na Świat Egzoplanet

Badanie brązowych karłów jest często łatwiejsze niż badanie gazowych egzoplanet. Powód jest prosty: światło odległej planety jest zwykle całkowicie zasłonięte przez blask gwiazdy, wokół której krąży. Brązowe karły natomiast często podróżują przez kosmos samotnie, co pozwala na niezakłócony wgląd w ich atmosfery. Lekcje wyciągnięte z badania tych obiektów można zastosować do szerokiej gamy planet, w tym tych spoza naszego Układu Słonecznego, które mogą wykazywać oznaki zdatności do zamieszkania.

Tego rodzaju badania podstawowe kładą podwaliny pod przyszłe, jeszcze bardziej ambitne przedsięwzięcia naukowe. Analizując różnorodność i złożoność atmosfer planetarnych, naukowcy budują bazę wiedzy i doskonalą narzędzia, które pewnego dnia będą kluczowe w poszukiwaniu życia poza Ziemią. „Żeby było jasne, не znajdujemy życia na brązowych karłach”, podkreśla Faherty. „Ale na wyższym poziomie, badając całą tę różnorodność i złożoność, przygotowujemy naukowców, którzy pewnego dnia będą musieli przeprowadzać tego rodzaju analizy chemiczne dla skalistych, potencjalnie podobnych do Ziemi planet. Może nie będzie chodziło konkretnie o krzem, ale oni również będą otrzymywać dane, które są skomplikowane, mylące i nie pasują do istniejących modeli, tak jak my dzisiaj. Będą musieli zgłębić wszystkie te zawiłości, jeśli chcą odpowiedzieć na te największe pytania.”