Fosfina em Vênus!

Título: Phosphine gas in the cloud decks of Venus

Autores: Jane S. Greaves, Anita M. S. Richards, William Bains, Paul B. Rimmer et al.

Instituição do primeiro autor: School of Physics and Astronomy, Cardiff University e Institute of Astronomy, University of Cambridge, Reino Unido

Status: publicado na Nature Astronomy [acesso aberto no astro-ph]

A detecção de fosfina

Em 2017, o Telescópio James Clerk Maxwell (JCMT), no Havaí, foi apontado para o nosso planeta vizinho, Vênus. O objetivo daquela noite era procurar por sinais da molécula fosfina, ou PH3. Por que fosfina? A fosfina pode ser um sinal de vida promissor. Essa molécula é encontrada na atmosfera da Terra, e sua existência no nosso planeta é explicada por atividade humana ou microbiana. Fosfina pode desaparecer rapidamente, porque ela reage efetivamente com o oxigênio, resultando em ácido fosforoso. Sem vida na Terra constantemente gerando fosfina, ela provavelmente não existiria mais em nossa atmosfera, que é rica em oxigênio. Por isso, uma abundância de fosfina na atmosfera de um planeta como a Terra pode ser sugestiva de vida. Por outro lado, em planetas como Júpiter e Saturno, fosfina pode formar-se por outros mecanismos. Nesses planetas, fosfina foi detectada em pequenas quantidades, mas o mecanismo que a cria ocorre nas profundezas do planeta, onde há temperaturas e pressões muito altas, e a fosfina é trazida para a superfície desses gigantes gasosos por convecção. Esse mecanismo poderia ocorrer também em planetas rochosos, que têm ambientes semelhantes no seu interior; contudo, as superfícies rochosas de Mercúrio, Vênus, Terra e Marte impedem que a fosfina se mova para a atmosfera, onde poderia ser observada.

Vênus, em particular, também tem uma atmosfera muito rica em oxigênio, então qualquer fosfina que pudesse ser criada por meio de um processo químico conhecido seria rapidamente transformada em ácido fosforoso. Com base no que esta equipe científica sabia sobre Vênus e sobre a química da fosfina, eles não esperavam detectá-la em Vênus. Assim, quando fosfina foi de fato detectada em 2017, a equipe decidiu fazer uma nova observação com o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Esse telescópio forneceria uma maior sensibilidade e melhor resolução espacial, que permitiria confirmar a detecção de fosfina e mapear sua localização na atmosfera venusiana.

Figura 1: a detecção de fosfina em Vênus. O painel à esquerda mostra a detecção com o JCMT, e o painel à direita com o ALMA. O eixo-x mostra a velocidade no referencial de Vênus, já que os espectros observados precisam ser corrigidos levando em conta a rotação do planeta. Velocidade zero corresponde à frequência característica da fosfina. O eixo-y representa a relação entre contínuo, que é a emissão de fundo, e linhas. Qualquer valor fora de zero significa que há fluxo nessa frequência. Algumas oscilações são normais, e se devem a ruído. Os autores são capazes de determinar a importância da detecção com base na profundidade da linha em comparação com o ruído. Adaptado das Figuras 1 e 2 do artigo original.

De fato, quando o ALMA observou Vênus em 2019, fosfina foi detectada novamente. As detecções do JCMT e do ALMA concordaram entre si (veja a Figura 1), mostrando não apenas que esta deve ser uma detecção real, mas também que ao longo de dois anos a quantidade de fosfina não pareceu mudar. A equipe fez um grande esforço para ter certeza absoluta de que essa era uma detecção real de fosfina. Eles descartaram a possibilidade de outra molécula contaminar a linha observada e pediram que várias pessoas processassem independentemente os dados obtidos. Podemos então ter confiança na detecção de fosfina em Vênus! Usando a resolução espacial que o ALMA fornece, os autores também determinaram que a fosfina deve existir em ou acima de 53-61 km na atmosfera venusiana.

De onde veio a fosfina?

Usando o fluxo observado com o JCMT e um modelo da atmosfera de Vênus, a equipe determinou que a abundância de fosfina é de 20 partes por bilhão, ou ppb (para cada bilhão de moléculas ou átomos, 20 deles são fosfina). Também se pode estimar o tempo de vida da fosfina na atmosfera com base na abundância de moléculas que podem destruí-la e modelando como mistura na atmosfera pode levar a fosfina a ambientes onde isso ocorra. A equipe descobriu que o tempo de vida médio de uma molécula de fosfina é inferior a 103 segundos. Combinando essa informação com a estimativa de abundância de fosfina e a observação de que a abundância é constante ao longo do tempo , pode-se calcular a taxa de produção de fosfina necessária para explicar as observações. Eles descobriram que fosfina deve ser produzida a uma taxa da ordem de 106 mol/cm2/s. O próximo passo é descobrir uma maneira de a fosfina ser produzida com essa taxa. Deve haver algum mecanismo que produza fosfina, seja na atmosfera, na superfície ou no interior do planeta, ou que a traga do espaço para a atmosfera. Os autores procuraram modelar todos os possíveis mecanismos que conhecemos (Fig. 2).

Figura 2: Um exemplo de cadeia de reações químicas que pode gerar fosfina. Para criar fosfina, começamos com ácidos de fósforo (H4PO4 e H3PO4, vistos à esquerda) e reações químicas com moléculas como H2O, OH e H2. As reações em que temos bons dados sobre o efeito do fósforo são mostradas na linha contínua; onde faltam dados, os autores usaram informações de uma espécie análoga de nitrogênio. Essas reações são mostradas com linhas tracejadas. Adaptado da Fig. suplementar 7 no artigo original.

Reações químicas na atmosfera?

Os autores executaram modelos químicos que utilizaram cerca de 75 reações químicas e milhares de condições ambientais diferentes. Nenhum dos modelos sequer se aproximou de uma concentração de fosfina similar à observada.

Vindo do interior do planeta?

Os autores simularam a química que ocorre na subsuperfície, com a ideia de que a fosfina poderia ser levada à atmosfera. Eles descobriram que a abundância de oxigênio na crosta e manto de Vênus era muito alta para suportar a produção e liberação de fosfina.

Já sei! Relâmpagos!

Embora relâmpagos ocorram em Vênus e possam produzir traços de fosfina, a equipe descobriu que relâmpagos não ocorrem com frequência suficiente e não são eficientes na produção de fosfina. Relâmpagos produzem quantidades 10 milhões de vezes menores do que a quantidade detectada.

Que tal obter fosfina de meteoritos ou de um grande cometa?

Supondo que Vênus não receba muito mais meteoritos do que a Terra, não há material suficiente nos meteoritos para produzir os níveis de fosfina detectados. E não há evidências de um grande impacto na história recente de Vênus.

Vulcões?

Existem vulcões em Vênus e eles podem produzir fosfina, mas, para chegar perto da quantidade observada, Vênus teria que ser 200 vezes mais vulcanicamente ativo do que a Terra, e não vemos nenhuma evidência disso.

Alienígenas?

A região em que fosfina foi detectada corresponde às células de Hadley em Vênus, onde as temperaturas e pressões são semelhantes às da Terra, ou seja, favoráveis à vida. No entanto, o que não é nada favorável à vida são as gotas incrivelmente concentradas de ácido sulfúrico que nenhuma vida na Terra seria capaz de suportar. A única forma de vida que poderia, talvez, sobreviver são micróbios minúsculos. Mas a vida provou ser adaptativa e resiliente, então… talvez?

E agora?

Isso é o que sabemos: i) astrônomos detectaram a molécula de fosfina na direção da atmosfera de Vênus e ii) isso é estranho porque há muitas moléculas portadoras de oxigênio que destruiriam facilmente a fosfina, a menos que houvesse alguma fonte de produção constante que os astrônomos não puderam identificar até agora. Isso significa que há alguma química desconhecida acontecendo na atmosfera de Vênus. Uma solução poderia ser que existem extremófilos que sobreviveram ao efeito estufa de Vênus de bilhões de anos atrás e existem dentro de uma zona de Vênus que é moderadamente habitável. Pode haver outras soluções que envolvam condições químicas e ambientais desconhecidas em Vênus. Para saber a resposta, provavelmente teremos de ir verificar “roboticamente”.


Adaptado de Phosphine in Venus!, escrito por Jenny Calahan.

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