对话南大张曾华：我们身处天文学的“黄金时代”，在褐矮星上发现磷化氢是意外之喜

搜狐科技《思想大爆炸——对话科学家》栏目第140期，对话南京大学天文与空间科学学院副教授张曾华。

嘉宾简介：

张曾华，南京大学天文与空间科学学院副教授。2008-2019年先后在英国哈特福德郡大学攻读天体物理学博士学位，在西班牙加那利天体物理研究所（IAC fellow）和法国巴黎天文台（PSL fellow）做博士后。张曾华的主要研究领域是甚小质量恒星与褐矮星的发现和研究刻画，并在MNRAS, A&A, ApJ, Science 等顶级学术期刊发表四十多篇论文。

• Wolf 1130C是一个围绕Wolf 1130 AB密近双星系统互相绕转的褐矮星，温度只有330摄氏度，既不是恒星也不是行星，质量介于恒星和行星之间。

• Wolf 1130C的年龄超百亿年，化学丰度比较低，与普通褐矮星相比，这种贫金属的褐矮星的占比不足1%，十分稀有。

• 这次的研究在太阳系外的天体上第一次清晰地观测到了磷化氢，加深了我们对它的理解，也对天体生物学有很好的启发。

• 现在是研究天文学的“黄金时代”，有很多大型设备刚刚或即将陆续投入使用。

出品｜搜狐科技

作者｜周锦童

编辑｜杨 锦

近日，美国加利福尼亚大学圣迭戈分校天文学与天体物理学教授Adam Burgasser所领导的国际团队，在一颗名为Wolf 1130C的古老冷褐矮星大气中探测到了磷化氢。该研究成果已在《科学》（Science）杂志上发表。

Wolf 1130C是一颗什么样的天体？为什么锁定Wolf 1130C作为观测目标的？这项发现有什么意义？磷化氢又有什么特殊之处？

带着这些问题，搜狐科技对话了南京大学天文与空间科学学院副教授张曾华，他也是这一观测项目的共同首席研究员和论文共同作者。

第一次在太阳系外天体上观测到磷化氢

张曾华首先科普了Wolf 1130C的具体情况。

Wolf 1130是一颗贫金属的红矮星，“贫金属”是指元素周期表上除了氢和氦之外的所有重元素占比较少，Wolf 1130C是这个系统里面的第三颗星。

此外，Wolf 1130还是双星系统，它旁边还有一个白矮星（Wolf 1130B），但因为距离红矮星(即Wolf 1130A)特别近，非常小，温度也不高，光度只有Wolf 1130A的1/250，所以直接观测不到。Wolf 1130A和B之间的绕转周期只有12个小时。

Wolf 1130C则是一个围绕Wolf 1130 AB系统互相绕转的褐矮星，旋转周期约为20万年，它的温度比较低，只有330摄氏度，既不是恒星也不是行星，但它的形成过程与恒星很相似，观测特性又与木星这样的气态行星相似，直径与木星的近似，但质量大约是木星的44倍，介于恒星和行星之间。

“在银河系演化过程中，天体的年龄与其化学丰度反相关，越早形成的天体化学丰度越低，重元素比例越低。Wolf 1130C的年龄超百亿年，所以它的化学丰度大约只有太阳的十分之一，与普通褐矮星相比，这种贫金属的褐矮星占比不足1%，十分稀有。”张曾华解释道。

当然，在天文学的观测研究上，越稀有的天体越能引起大家兴趣，因为不稀有的已经被研究过了，稀有天体通常更能揭示新的宇宙奥秘，这也是张曾华选择这颗星体研究的初衷。

随后，张曾华还对搜狐科技解释了“磷化氢”的特殊之处。

“磷化氢是天体生物学中一个很重要的分子，有人认为它可以作为一种‘生物印记’，上一次清晰地在天体上观测到磷化氢是在1976年的木星上，而第一次观测到则是在1975年的土星上，之后陆续在星际介质和恒星演化星周盘里观测到了这样的信号，但是后来一直没有在其它天体上观测到。”

而这次的研究是在太阳系外的天体上第一次清晰地看到了它。

“这次的发现深化了我们对磷化氢的了解。而且天体生物学一直在起步中，真想发现天体生物有可能还要再等50年甚至100年。”张曾华表示，这次发现对天体生物学有了很好的启发。

不过，有一点要注意。磷化氢气体有两种产生方式，在木星里的磷化氢跟“生物印记”是不相关的，因为它是由大质量的恒星演化产生的，在木星等气态行星以及褐矮星的超冷大气中，其中自然产生的磷元素会和氢气相结合，组成磷化氢分子，跟生物过程是没有关系的。

“但如果把磷化氢放在地球或其的类地行星上，那它的产生就很可能跟生物活动相关。因为地球上磷化氢主要来自腐烂的有机沼泽这种物质的副产品，比如池塘底部腐烂的生物会产生磷化氢气体，尸体也会慢慢释放，如果在其他类地行星上也有可能和厌氧生物相关。”张曾华举例道。

发现磷化氢是“意外之喜”

Wolf 1130 C是2013年被发现的，作为该项目的“共同首席研究员”，张曾华在国际团队中主要负责前期目标源的选取，他称这次发现磷化氢是“意外之喜”。

“我们团队会每两个星期开一次线上会议，在这个观测列表中，有不少目标天体是我之前发现的。而且这次能观测到磷化氢是一个偶然的机会，之前其他团队在其它褐矮星上都没有观测到。”

张曾华称这次申请的观测计划大概有60个小时的时间，选取了29颗金属丰度偏低的褐矮星作为观测目标，主要是想研究不同金属丰度的褐矮星大气变化、化学成分差别等。

所以，发现磷化氢，有运气成分的“加持”。

“对于普通的、类太阳金属丰度的褐矮星来说，它的二氧化碳吸收线是很强的，完全盖过了磷化氢，再好的光谱也难看到里面的磷化氢，而这次我们的目标天体是贫金属的，里面的二氧化碳非常少，磷化氢反而加强了，所以很清晰的就看到了。”张曾华解释道。

虽然磷化氢信号不是张曾华发现的，但他回看其他光谱时，还发现另外一个金属丰度更低的目标天体也可能有磷化氢，只不过还需要进一步分析。在新的申请计划里，张曾华也提到这个发现，未来会观测更大的样本去研究磷化氢到底是怎么来的。

不过，探测磷化氢信号也面临着很多挑战。

这次探测到的信号是在4.3微米处的红外吸收线，这也是磷化氢在光谱上的吸收线。褐矮星内部发出的光穿过它自己的大气层时，会被大气中的磷化氢分子给吸收掉一部分特定波长的光，所以在光谱上就留下了“缺了一块”的吸收带，而这个吸收带的形状与磷化氢的实验吸收光谱完全吻合，就像“轮廓对上”一样，所以确认了是磷化氢。

“因为需要高信噪比的光谱，但4.3微米红外光几乎被地球大气完全吸收（水蒸气、二氧化碳等干扰），地面望远镜是无法观测到的，所以需要在太空去观测，还需要满足红外光波段和口径大的望远镜才行。”张曾华如是说。

最终他们测得褐矮星大气中磷化氢的丰度约为千万分之一，团队使用了一种很新的大气反演的建模技术，他们从观测高信噪比的光谱出发构建相应的大气模型，这才精确地得出了磷化氢以及水、甲烷等气体的丰度。

现在是研究天文学的黄金时代

在张曾华看来，韦伯望远镜是目前能够观测使用的最好的仪器，可能十年内都不会有比它更好的仪器了。

目前，张曾华正带领团队继续研究Wolf 1130 AB系统，他也正在撰写相关文章，主要分析A、B系统的元素丰度，各自质量等等。同时他还在申请韦伯望远镜的时间，他称未来想观测更多的贫金属褐矮星中的磷化氢，也十分期待对磷化氢的性质有更好的理解。

“AB系统要比C系统亮很多，在C系统上发现磷化氢其实对研究AB系统并没有直接的帮助，但可以提高关注度，因为研究AB系统本身的性质也可以更好地帮我们理解C系统。”张曾华如是说。

张曾华坦言，目前我国还没有能跟韦伯望远镜相媲美的设备，褐矮星的温度很低，发的红外光比较多，需要红外观测，光度低就意味着它更暗，所以还需要更大口径的望远镜。但这两方面目前都是缺少的。

“不过，我们国家也正在建设一些大型设备，但建设周期会比较长。在建的新设备主要是光学的、也有大口径的望远镜，也非常有帮助。国外的研究开始的比较早，我们还需要时间追赶他们。”张曾华如是说。

对话最后，张曾华称现在是研究天文学的“黄金时代”，有很多大型设备刚刚或即将陆续投入使用。

目前，最先进的8-10米级地面光学红外望远镜主要是1993-2007之间建成的。之后的18年间没有新的十米级我已经建成。

不过，从现在往后陆续会有大型观测设备的投入，比如预计2029年投入使用的欧洲39米的极大望远镜，我们国家的14.5米的地面光学望远镜预计2030年建成，2米口径的中国空间站巡天望远镜，预计在2026年发射，这些天文重器将会积累海量高质量的观测数据，极大的推动天文学研究。

而且像2023年发射的Euclid太空望远镜以及今年刚建成的薇拉·鲁宾天文台（Vera C. Rubin Observatory，VRO）原名大型综合巡天望远镜（LSST），会产生海量的数据供大家分析使用，等过了一年保护期，数据会对所有人使用。

“天文学是一个非常开放的学科，天文学数据资源在今后会非常丰富，现在是研究天文学非常好的时期，可以说是‘黄金时代’。”张曾华如是说。

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