對話南大張曾華：我們身處天文學的“黃金時代”，在褐矮星上發現磷化氫是意外之喜

搜狐科技《思想大爆炸——對話科學家》欄目第140期，對話南京大學天文與空間科學學院副教授張曾華。

嘉賓簡介：

張曾華，南京大學天文與空間科學學院副教授。2008-2019年先后在英國哈特福德郡大學攻讀天體物理學博士學位，在西班牙加那利天體物理研究所（IAC fellow）和法國巴黎天文臺（PSL fellow）做博士后。張曾華的主要研究領域是甚小質量恒星與褐矮星的發現和研究刻畫，并在MNRAS, A&A, ApJ, Science 等頂級學術期刊發表四十多篇論文。

• Wolf 1130C是一個圍繞Wolf 1130 AB密近雙星系統互相繞轉的褐矮星，溫度只有330攝氏度，既不是恒星也不是行星，質量介于恒星和行星之間。

• Wolf 1130C的年齡超百億年，化學豐度比較低，與普通褐矮星相比，這種貧金屬的褐矮星的占比不足1%，十分稀有。

• 這次的研究在太陽系外的天體上第一次清晰地觀測到了磷化氫，加深了我們對它的理解，也對天體生物學有很好的啟發。

• 現在是研究天文學的“黃金時代”，有很多大型設備剛剛或即將陸續投入使用。

出品｜搜狐科技

作者｜周錦童

編輯｜楊 錦

近日，美國加利福尼亞大學圣迭戈分校天文學與天體物理學教授Adam Burgasser所領導的國際團隊，在一顆名為Wolf 1130C的古老冷褐矮星大氣中探測到了磷化氫。該研究成果已在《科學》（Science）雜志上發表。

Wolf 1130C是一顆什么樣的天體？為什么鎖定Wolf 1130C作為觀測目標的？這項發現有什么意義？磷化氫又有什么特殊之處？

帶著這些問題，搜狐科技對話了南京大學天文與空間科學學院副教授張曾華，他也是這一觀測項目的共同首席研究員和論文共同作者。

第一次在太陽系外天體上觀測到磷化氫

張曾華首先科普了Wolf 1130C的具體情況。

Wolf 1130是一顆貧金屬的紅矮星，“貧金屬”是指元素周期表上除了氫和氦之外的所有重元素占比較少，Wolf 1130C是這個系統里面的第三顆星。

此外，Wolf 1130還是雙星系統，它旁邊還有一個白矮星（Wolf 1130B），但因為距離紅矮星(即Wolf 1130A)特別近，非常小，溫度也不高，光度只有Wolf 1130A的1/250，所以直接觀測不到。Wolf 1130A和B之間的繞轉周期只有12個小時。

Wolf 1130C則是一個圍繞Wolf 1130 AB系統互相繞轉的褐矮星，旋轉周期約為20萬年，它的溫度比較低，只有330攝氏度，既不是恒星也不是行星，但它的形成過程與恒星很相似，觀測特性又與木星這樣的氣態行星相似，直徑與木星的近似，但質量大約是木星的44倍，介于恒星和行星之間。

“在銀河系演化過程中，天體的年齡與其化學豐度反相關，越早形成的天體化學豐度越低，重元素比例越低。Wolf 1130C的年齡超百億年，所以它的化學豐度大約只有太陽的十分之一，與普通褐矮星相比，這種貧金屬的褐矮星占比不足1%，十分稀有。”張曾華解釋道。

當然，在天文學的觀測研究上，越稀有的天體越能引起大家興趣，因為不稀有的已經被研究過了，稀有天體通常更能揭示新的宇宙奧秘，這也是張曾華選擇這顆星體研究的初衷。

隨后，張曾華還對搜狐科技解釋了“磷化氫”的特殊之處。

“磷化氫是天體生物學中一個很重要的分子，有人認為它可以作為一種‘生物印記’，上一次清晰地在天體上觀測到磷化氫是在1976年的木星上，而第一次觀測到則是在1975年的土星上，之后陸續在星際介質和恒星演化星周盤里觀測到了這樣的信號，但是后來一直沒有在其它天體上觀測到。”

而這次的研究是在太陽系外的天體上第一次清晰地看到了它。

“這次的發現深化了我們對磷化氫的了解。而且天體生物學一直在起步中，真想發現天體生物有可能還要再等50年甚至100年。”張曾華表示，這次發現對天體生物學有了很好的啟發。

不過，有一點要注意。磷化氫氣體有兩種產生方式，在木星里的磷化氫跟“生物印記”是不相關的，因為它是由大質量的恒星演化產生的，在木星等氣態行星以及褐矮星的超冷大氣中，其中自然產生的磷元素會和氫氣相結合，組成磷化氫分子，跟生物過程是沒有關系的。

“但如果把磷化氫放在地球或其的類地行星上，那它的產生就很可能跟生物活動相關。因為地球上磷化氫主要來自腐爛的有機沼澤這種物質的副產品，比如池塘底部腐爛的生物會產生磷化氫氣體，尸體也會慢慢釋放，如果在其他類地行星上也有可能和厭氧生物相關。”張曾華舉例道。

發現磷化氫是“意外之喜”

Wolf 1130 C是2013年被發現的，作為該項目的“共同首席研究員”，張曾華在國際團隊中主要負責前期目標源的選取，他稱這次發現磷化氫是“意外之喜”。

“我們團隊會每兩個星期開一次線上會議，在這個觀測列表中，有不少目標天體是我之前發現的。而且這次能觀測到磷化氫是一個偶然的機會，之前其他團隊在其它褐矮星上都沒有觀測到。”

張曾華稱這次申請的觀測計劃大概有60個小時的時間，選取了29顆金屬豐度偏低的褐矮星作為觀測目標，主要是想研究不同金屬豐度的褐矮星大氣變化、化學成分差別等。

所以，發現磷化氫，有運氣成分的“加持”。

“對于普通的、類太陽金屬豐度的褐矮星來說，它的二氧化碳吸收線是很強的，完全蓋過了磷化氫，再好的光譜也難看到里面的磷化氫，而這次我們的目標天體是貧金屬的，里面的二氧化碳非常少，磷化氫反而加強了，所以很清晰的就看到了。”張曾華解釋道。

雖然磷化氫信號不是張曾華發現的，但他回看其他光譜時，還發現另外一個金屬豐度更低的目標天體也可能有磷化氫，只不過還需要進一步分析。在新的申請計劃里，張曾華也提到這個發現，未來會觀測更大的樣本去研究磷化氫到底是怎么來的。

不過，探測磷化氫信號也面臨著很多挑戰。

這次探測到的信號是在4.3微米處的紅外吸收線，這也是磷化氫在光譜上的吸收線。褐矮星內部發出的光穿過它自己的大氣層時，會被大氣中的磷化氫分子給吸收掉一部分特定波長的光，所以在光譜上就留下了“缺了一塊”的吸收帶，而這個吸收帶的形狀與磷化氫的實驗吸收光譜完全吻合，就像“輪廓對上”一樣，所以確認了是磷化氫。

“因為需要高信噪比的光譜，但4.3微米紅外光幾乎被地球大氣完全吸收（水蒸氣、二氧化碳等干擾），地面望遠鏡是無法觀測到的，所以需要在太空去觀測，還需要滿足紅外光波段和口徑大的望遠鏡才行。”張曾華如是說。

最終他們測得褐矮星大氣中磷化氫的豐度約為千萬分之一，團隊使用了一種很新的大氣反演的建模技術，他們從觀測高信噪比的光譜出發構建相應的大氣模型，這才精確地得出了磷化氫以及水、甲烷等氣體的豐度。

現在是研究天文學的黃金時代

在張曾華看來，韋伯望遠鏡是目前能夠觀測使用的最好的儀器，可能十年內都不會有比它更好的儀器了。

目前，張曾華正帶領團隊繼續研究Wolf 1130 AB系統，他也正在撰寫相關文章，主要分析A、B系統的元素豐度，各自質量等等。同時他還在申請韋伯望遠鏡的時間，他稱未來想觀測更多的貧金屬褐矮星中的磷化氫，也十分期待對磷化氫的性質有更好的理解。

“AB系統要比C系統亮很多，在C系統上發現磷化氫其實對研究AB系統并沒有直接的幫助，但可以提高關注度，因為研究AB系統本身的性質也可以更好地幫我們理解C系統。”張曾華如是說。

張曾華坦言，目前我國還沒有能跟韋伯望遠鏡相媲美的設備，褐矮星的溫度很低，發的紅外光比較多，需要紅外觀測，光度低就意味著它更暗，所以還需要更大口徑的望遠鏡。但這兩方面目前都是缺少的。

“不過，我們國家也正在建設一些大型設備，但建設周期會比較長。在建的新設備主要是光學的、也有大口徑的望遠鏡，也非常有幫助。國外的研究開始的比較早，我們還需要時間追趕他們。”張曾華如是說。

對話最后，張曾華稱現在是研究天文學的“黃金時代”，有很多大型設備剛剛或即將陸續投入使用。

目前，最先進的8-10米級地面光學紅外望遠鏡主要是1993-2007之間建成的。之后的18年間沒有新的十米級我已經建成。

不過，從現在往后陸續會有大型觀測設備的投入，比如預計2029年投入使用的歐洲39米的極大望遠鏡，我們國家的14.5米的地面光學望遠鏡預計2030年建成，2米口徑的中國空間站巡天望遠鏡，預計在2026年發射，這些天文重器將會積累海量高質量的觀測數據，極大的推動天文學研究。

而且像2023年發射的Euclid太空望遠鏡以及今年剛建成的薇拉·魯賓天文臺（Vera C. Rubin Observatory，VRO）原名大型綜合巡天望遠鏡（LSST），會產生海量的數據供大家分析使用，等過了一年保護期，數據會對所有人使用。

“天文學是一個非常開放的學科，天文學數據資源在今后會非常豐富，現在是研究天文學非常好的時期，可以說是‘黃金時代’。”張曾華如是說。

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