W ogromnej przestrzeni kosmosu astronomowie często napotykają kosmiczne zagadki, które wymykają się prostym wyjaśnieniom. Jedna z takich wieloletnich tajemnic dotyczy atmosfer gazowych olbrzymów, takich jak Jowisz i Saturn. Dlaczego brakuje w nich krzemu, jednego z najpowszechniejszych pierwiastków we wszechświecie? Odpowiedź na to pytanie, jak się wydaje, nadeszła z nieoczekiwanego kierunku – z badań niezwykłego ciała niebieskiego, które ze względu na swoją dziwną naturę i przypadkowe odkrycie zyskało przydomek „Wypadek” (The Accident).

Nowe badanie, opierające się na niesamowitych możliwościach Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, rzuciło nowe światło na procesy chemiczne głęboko ukryte w atmosferach tych planet, a także tysięcy innych światów poza naszym Układem Słonecznym. W centrum tej historii znajduje się cząsteczka, której naukowcy długo szukali, ale do tej pory nie udało im się jej znaleźć – silan.

Przypadkowe odkrycie, które zmieniło wszystko

„Wypadek”, oficjalnie nazwany WISEA J153429.75-104303.3, to brązowy karzeł, fascynujące ciało niebieskie, które stanowi formę przejściową między największymi planetami a najmniejszymi gwiazdami. Brązowe karły są masywniejsze od Jowisza, ale niewystarczająco masywne, aby w swoim jądrze zainicjować fuzję jądrową wodoru, proces, który nadaje gwiazdom ich blask. Jednak nawet w kategorii tych „nieudanych gwiazd”, „Wypadek” wyróżnia się jako wyjątkowo niezwykły egzemplarz.

Obiekt ten posiada mylącą kombinację cech; niektóre są typowe dla bardzo młodych brązowych karłów, podczas gdy inne obserwuje się tylko u wyjątkowo starych. Właśnie z powodu tej niezwykłej natury przez lata umykał standardowym metodom detekcji. Został odkryty dopiero pięć lat temu, i to nie przez zawodowego astronoma, ale dzięki entuzjazmowi pewnego naukowca-amatora. Dan Caselden, uczestnik projektu Backyard Worlds: Planet 9, zauważył słaby ruch tego obiektu, przeglądając archiwalne dane z misji NASA NEOWISE (Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer). Projekt ten umożliwia wolontariuszom z całego świata analizowanie ogromnych ilości danych i pomaganie w odkrywaniu nowych światów w naszym kosmicznym sąsiedztwie.

„Wypadek” jest tak słaby i widmowo dziwny, że naukowcy musieli użyć najpotężniejszego obserwatorium kosmicznego, jakie kiedykolwiek zbudowano, Teleskopu Jamesa Webba, aby zajrzeć do jego atmosfery. Analiza światła przechodzącego przez atmosferę tego brązowego karła ujawniła kilka niespodzianek, ale jedna była szczególnie ważna. Wśród sygnatur chemicznych zespół zauważył ślady cząsteczki, której początkowo nie potrafili zidentyfikować. Dokładniejsza analiza potwierdziła, że chodzi o silan ($SiH_4$), prostą cząsteczkę składającą się z jednego atomu krzemu i czterech atomów wodoru.

Duch cząsteczki: Dlaczego odnalezienie silanu to wielki sukces?

Odkrycie silanu jest monumentalne. Naukowcy od dziesięcioleci teoretyzowali, że ta cząsteczka powinna istnieć nie tylko w atmosferach brązowych karłów, ale także w górnych warstwach atmosfer gazowych olbrzymów naszego Układu Słonecznego. Mimo licznych poszukiwań nigdy jej nie wykryto – aż do teraz. „Wypadek” stał się pierwszym obiektem tego typu, w którego atmosferze jednoznacznie potwierdzono istnienie silanu.

Środowisko naukowe jest całkiem pewne, że krzem istnieje w atmosferach Jowisza i Saturna, ale uważa, że jest on ukryty przed naszym wzrokiem. Dominująca teoria sugeruje, że krzem w obecności tlenu bardzo łatwo się wiąże i tworzy związki krzemianowe, takie jak kwarc. Na gorących gazowych olbrzymach te krzemiany mogą tworzyć chmury, podobne do burz piaskowych na Ziemi. Na chłodniejszych gazowych olbrzymach, jakimi są Jowisz i Saturn, te ciężkie chmury krzemianowe opadają głęboko w atmosferę, daleko poniżej lżejszych warstw chmur amoniaku i pary wodnej. Znajdują się na tak dużych głębokościach, że są niewidoczne nawet dla sond kosmicznych, które badały te planety z bliska.

Jednak niektórzy badacze przypuszczali, że lżejsze cząsteczki krzemu, takie jak silan, powinny pozostać w wyższych warstwach atmosfery, jak ślady mąki na stole piekarza. Fakt, że takich cząsteczek nie znaleziono nigdzie indziej, poza tym jednym, wyjątkowo niezwykłym brązowym karłem, sugeruje coś kluczowego o chemii, która zachodzi w tych środowiskach. „Czasami potrzebujemy właśnie ekstremalnych obiektów, aby zrozumieć, co dzieje się w tych przeciętnych” – powiedziała Jacqueline Faherty, badaczka z Amerykańskiego Muzeum Historii Naturalnej w Nowym Jorku i główna autorka badania opublikowanego na początku września w prestiżowym czasopiśmie Nature.

Relikt z zarania wszechświata

Aby zrozumieć, dlaczego „Wypadek” ma silan, a inne obiekty nie, musimy cofnąć się daleko w przeszłość. Położony około 50 lat świetlnych od Ziemi, ten brązowy karzeł prawdopodobnie powstał 10 do 12 miliardów lat temu. Biorąc pod uwagę, że sam wszechświat ma około 13,8 miliarda lat, „Wypadek” jest jednym z najstarszych kiedykolwiek odkrytych brązowych karłów – prawdziwym kosmicznym reliktem.

W czasie, gdy powstawał ten obiekt, wszechświat był chemicznie bardzo ubogi. Składał się prawie wyłącznie z wodoru i helu, z zaledwie śladowymi ilościami cięższych pierwiastków, w tym krzemu. Pierwiastki takie jak węgiel, azot i tlen, kluczowe dla znanej nam chemii, powstają w jądrach gwiazd i rozprzestrzeniają się po wszechświecie dopiero po ich śmierci. Dlatego planety i gwiazdy, które powstały później, takie jak nasze Słońce, Jowisz i Saturn, posiadają znacznie więcej tych pierwiastków.

Obserwacje z teleskopu Webba potwierdzają, że silan rzeczywiście może powstawać w atmosferach brązowych karłów i planet. Jego brak w innych, młodszych obiektach mocno sugeruje, że gdy tlen jest dostępny, z wyjątkową łatwością i wydajnością łączy się z krzemem. W tym procesie tlen „pochłania” cały dostępny krzem, nie pozostawiając prawie nic, co mogłoby się związać z wodorem i utworzyć silan.

Dlaczego więc „Wypadek” ma silan? Autorzy badania przypuszczają, że powodem jest właśnie jego wiek. We wczesnym wszechświecie, kiedy formował się ten starożytny brązowy karzeł, było znacznie mniej tlenu. Z powodu tego braku krzem nie miał z czym tworzyć krzemianów. Zamiast tego związał się z najpowszechniejszym pierwiastkiem – wodorem – i tak powstał silan, cząsteczka, która przetrwała w jego atmosferze przez miliardy lat.

Szersze znaczenie kosmiczne

To odkrycie ma implikacje wykraczające daleko poza zrozumienie Jowisza i Saturna. Brązowe karły są często łatwiejsze do badania niż egzoplanety, gazowe olbrzymy krążące wokół innych gwiazd. Światło odległej planety jest zwykle przyćmione przez blask jej gwiazdy macierzystej, podczas gdy brązowe karły w większości podróżują przez kosmos samotnie, co czyni je idealnymi naturalnymi laboratoriami do badania atmosfer planetarnych.

„Nie rozpoczęliśmy tych obserwacji z zamiarem rozwiązania tajemnicy Jowisza i Saturna” – powiedział Peter Eisenhardt z Laboratorium Napędu Odrzutowego (JPL) NASA, naukowiec projektu misji WISE. „Chcieliśmy dowiedzieć się, dlaczego ten brązowy karzeł jest tak dziwny, ale nie spodziewaliśmy się silanu. Wszechświat nieustannie nas zaskakuje.”

Wnioski wyciągnięte z badania obiektów takich jak „Wypadek” mają zastosowanie do wszystkich rodzajów planet, w tym tych spoza naszego Układu Słonecznego, które mogą wykazywać oznaki zdatności do zamieszkania. Chociaż ważne jest, aby podkreślić, że nie chodzi tu o poszukiwanie życia, metodologia jest kluczowa. „Żeby było jasne, nie znajdujemy życia na brązowych karłach” – wyjaśniła Faherty. „Ale na wyższym poziomie, badając całą tę różnorodność i złożoność w atmosferach planetarnych, przygotowujemy naukowców, którzy pewnego dnia będą musieli przeprowadzać tego rodzaju analizy chemiczne dla skalistych planet podobnych do Ziemi. Może nie będzie chodziło konkretnie o krzem, ale otrzymają dane, które są skomplikowane, mylące i nie pasują do istniejących modeli, tak jak my. Będą musieli rozłożyć całą tę złożoność, jeśli zechcą odpowiedzieć na wielkie pytania.”