U golemom prostranstvu svemira, astronomi se često susreću s kozmičkim zagonetkama koje prkose jednostavnim objašnjenjima. Jedna od takvih dugogodišnjih misterija odnosi se na atmosferu plinovitih divova poput Jupitra i Saturna. Zašto u njima nedostaje silicij, jedan od najrasprostranjenijih elemenata u svemiru? Odgovor na ovo pitanje, čini se, stigao je iz neočekivanog smjera – proučavanjem neobičnog nebeskog tijela koje je zbog svoje čudne prirode i slučajnog otkrića dobilo nadimak "Nesreća" (The Accident).

Nova studija, koja se oslanja na nevjerojatne mogućnosti svemirskog teleskopa James Webb, bacila je novo svjetlo na kemijske procese duboko skrivene u atmosferama ovih planeta, ali i tisuća drugih svjetova izvan našeg Sunčevog sustava. U središtu priče je molekula koju su znanstvenici dugo tražili, ali je sve do sada nisu uspjeli pronaći – silan.

Slučajno otkriće koje je promijenilo sve

"Nesreća", službenog naziva WISEA J153429.75-104303.3, je smeđi patuljak, fascinantno nebesko tijelo koje predstavlja prijelazni oblik između najvećih planeta i najmanjih zvijezda. Smeđi patuljci su masivniji od Jupitra, ali nedovoljno masivni da u svojoj jezgri pokrenu nuklearnu fuziju vodika, proces koji zvijezdama daje njihov sjaj. Ipak, čak i u kategoriji ovih "propalih zvijezda", "Nesreća" se ističe kao iznimno neobičan primjerak.

Ovaj objekt posjeduje zbunjujuću kombinaciju karakteristika; neke su tipične za vrlo mlade smeđe patuljke, dok su druge viđene samo kod iznimno starih. Upravo zbog te neobične prirode, godinama je izmicao standardnim metodama detekcije. Otkriven je tek prije pet godina, i to ne od strane profesionalnog astronoma, već zahvaljujući entuzijazmu jednog građanina-znanstvenika. Dan Caselden, sudionik projekta Backyard Worlds: Planet 9, uočio je slabašan pokret ovog objekta pregledavajući arhivske podatke NASA-ine misije NEOWISE (Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer). Ovaj projekt omogućuje volonterima diljem svijeta da analiziraju goleme količine podataka i pomažu u otkrivanju novih svjetova u našem kozmičkom susjedstvu.

"Nesreća" je toliko blijeda i spektralno čudna da su znanstvenici morali upotrijebiti najmoćniji svemirski opservatorij ikad izgrađen, teleskop James Webb, kako bi zavirili u njezinu atmosferu. Analiza svjetlosti koja prolazi kroz atmosferu ovog smeđeg patuljka otkrila je nekoliko iznenađenja, no jedno je bilo posebno važno. Među kemijskim potpisima, tim je uočio tragove molekule koju u početku nisu mogli identificirati. Detaljnija analiza potvrdila je da se radi o silanu ($SiH_4$), jednostavnoj molekuli koja se sastoji od jednog atoma silicija i četiri atoma vodika.

Duh molekule: Zašto je pronalazak silana velik uspjeh?

Otkriće silana je monumentalno. Znanstvenici su desetljećima teoretizirali da bi ova molekula trebala postojati ne samo u atmosferama smeđih patuljaka, već i u gornjim slojevima atmosfera plinovitih divova našeg Sunčevog sustava. Ipak, unatoč brojnim potragama, nikada nije bila detektirana – sve do sada. "Nesreća" je postala prvi objekt svoje vrste u čijoj je atmosferi nedvojbeno potvrđeno postojanje silana.

Znanstvena zajednica je prilično sigurna da silicij postoji u Jupiterovoj i Saturnovoj atmosferi, ali vjeruju da je skriven od našeg pogleda. Dominantna teorija sugerira da se silicij, u prisutnosti kisika, vrlo lako veže i stvara silikatne spojeve, poput kvarca. Na vrućim plinovitim divovima, ovi silikati mogu formirati oblake, slične pješčanim olujama na Zemlji. Na hladnijim plinovitim divovima, kakvi su Jupiter i Saturn, ti teški silikatni oblaci tonu duboko u atmosferu, daleko ispod lakših slojeva oblaka od amonijaka i vodene pare. Nalaze se na tako velikim dubinama da su nevidljivi čak i svemirskim letjelicama koje su izbliza proučavale ove planete.

Ipak, neki su istraživači pretpostavljali da bi lakše molekule silicija, poput silana, trebale ostati u višim slojevima atmosfere, kao tragovi brašna na stolu pekara. Činjenica da takve molekule nisu pronađene nigdje osim u ovom jednom, iznimno neobičnom smeđem patuljku, sugerira nešto ključno o kemiji koja se odvija u tim okruženjima. "Ponekad su nam upravo ekstremni objekti potrebni kako bismo razumjeli što se događa u onim prosječnima", izjavila je Jacqueline Faherty, istraživačica u Američkom prirodoslovnom muzeju u New Yorku i glavna autorica studije objavljene početkom rujna u prestižnom časopisu Nature.

Relikt iz praskozorja svemira

Kako bi razumjeli zašto "Nesreća" ima silan, a drugi objekti ne, moramo se vratiti daleko u prošlost. Smješten na oko 50 svjetlosnih godina od Zemlje, ovaj smeđi patuljak vjerojatno je nastao prije 10 do 12 milijardi godina. S obzirom na to da je sam svemir star oko 13.8 milijardi godina, "Nesreća" je jedan od najstarijih smeđih patuljaka ikad otkrivenih – pravi kozmički relikt.

U vrijeme kada je ovaj objekt nastajao, svemir je bio kemijski vrlo siromašan. Sastojao se gotovo isključivo od vodika i helija, s tek neznatnim količinama težih elemenata, uključujući i silicij. Elementi poput ugljika, dušika i kisika, ključni za kemiju kakvu poznajemo, stvaraju se u jezgrama zvijezda i raspršuju svemirom tek nakon njihove smrti. Stoga planeti i zvijezde koji su nastali kasnije, poput našeg Sunca, Jupitra i Saturna, posjeduju znatno više tih elemenata.

Promatranja teleskopa Webb potvrđuju da silan zaista može nastati u atmosferama smeđih patuljaka i planeta. Njegov izostanak u drugim, mlađim objektima snažno upućuje na to da, kada je kisik dostupan, on se s iznimnom lakoćom i učinkovitošću veže sa silicijem. U tom procesu, kisik "pogabi" sav dostupni silicij, ne ostavljajući gotovo ništa što bi se moglo vezati s vodikom i formirati silan.

Pa zašto onda "Nesreća" ima silan? Autori studije pretpostavljaju da je razlog upravo njezina starost. U ranom svemiru, kada je ovaj drevni smeđi patuljak formiran, bilo je daleko manje kisika. Zbog tog nedostatka, silicij nije imao s čime formirati silikate. Umjesto toga, vezao se s najdostupnijim elementom – vodikom – i tako je nastao silan, molekula koja je ostala sačuvana u njegovoj atmosferi milijardama godina.

Širi kozmički značaj

Ovo otkriće ima implikacije koje sežu daleko izvan razumijevanja Jupitra i Saturna. Smeđi patuljci često su lakši za proučavanje od egzoplaneta, plinovitih divova koji kruže oko drugih zvijezda. Svjetlost dalekog planeta obično je zasjenjena blještavilom njegove matične zvijezde, dok smeđi patuljci uglavnom putuju svemirom sami, što ih čini idealnim prirodnim laboratorijima za proučavanje planetarnih atmosfera.

"Nismo krenuli u ova promatranja s namjerom da riješimo misterij Jupitra i Saturna", rekao je Peter Eisenhardt iz NASA-inog Laboratorija za mlazni pogon (JPL), znanstvenik na projektu misije WISE. "Željeli smo otkriti zašto je ovaj smeđi patuljak toliko čudan, ali nismo očekivali silan. Svemir nas neprestano iznenađuje."

Lekcije naučene proučavanjem objekata poput "Nesreće" primjenjive su na sve vrste planeta, uključujući i one izvan našeg Sunčevog sustava koji bi mogli imati znakove nastanjivosti. Iako je važno naglasiti da se ovdje ne radi o potrazi za životom, metodologija je ključna. "Da budemo jasni, ne pronalazimo život na smeđim patuljcima", pojasnila je Faherty. "Ali na višoj razini, proučavanjem sve ove raznolikosti i složenosti u planetarnim atmosferama, pripremamo znanstvenike koji će jednog dana morati raditi ovakve kemijske analize za stjenovite planete slične Zemlji. Možda se neće raditi specifično o siliciju, ali dobit će podatke koji su komplicirani, zbunjujući i ne uklapaju se u postojeće modele, baš kao i mi. Morat će raščlaniti svu tu složenost ako žele odgovoriti na velika pitanja."