金星大气中磷化氢的研究值得怀疑 但寻找生命标志物仍值得期待
来源：JAXA(日本宇宙航空研究开发机构)
撰文 | 鞠 强
编辑 | 王一苇
在探索宇宙的过程中，寻找地外生命一直是最令人兴奋的目标之一。2020年9月，一项关于金星的研究引发了地外生命的联想。虽然后续研究强烈质疑这项研究的结论，但类似的研究路径可能是我们寻找地外生命最可能的方向之一。
惊喜
2020年9月14日，由卡迪夫大学、剑桥大学、曼彻斯特大学、麻省理工学院等机构的研究人员组成的研究团队在《自然天文学》(自然天文学)发表论文，宣布利用智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA)望远镜和夏威夷的詹姆斯克拉克麦克斯韦望远镜(JCMT)发现金星大气中的磷化氢，论文中指出，各种已知的非生物机制不足以解释观测到的磷化氢，因此金星大气中可能存在可以产生磷化氢的生命机制。[1]
目前，研究人员在太阳系寻找生命迹象时，主要针对火星和一些卫星，如土卫二、土卫六和木卫二。
金星体积是地球的87%，质量是地球的82%，引力和地球差不多，可以称之为“孪生兄弟”。同时，金星也位于太阳系的宜居带，具备液态水的条件，又被大气层覆盖，所以有可能孕育生命。但是半个多世纪的研究表明，金星的表面条件极其恶劣，生命几乎不可能存在。
然而，一些研究人员认为金星大气中存在生命的可能性。金星表面压力大，温度高，但在高层大气中，有一个温度和压力相对适宜的区域。半个多世纪以来，“云上生活”的想法从未停止过。2017年，该论文的第一作者，卡迪夫大学教授简格里夫斯和他的同事利用JCMT观测了金星的大气，发现了磷化氢的存在。2019年，该研究团队使用精度更高的ALMA再次探测金星大气，再次发现磷化氢。根据观测，他们计算出这些分子位于金星表面上方约51-60公里处，这是金星大气中温度和压力相对合适的区域。同时，根据信号强度，他们计算出磷化氢的丰度约为20ppb(ppb是十亿分之一的浓度)，至少是地球大气中磷化氢丰度的1000倍。
金星高层大气中磷化氢分子的艺术想象
(资料来源：ESO/m . Kornmesser/l . Caladanasa/JPL/加州理工学院)
磷化氢是厌氧微生物的代谢产物，但也可以通过非生命过程产生。然而，根据这个研究小组的计算，没有任何非生物过程能够产生他们观察到的磷化氢丰度。这样，他们面前有两个选择：一是金星上一些未知的地质过程或光化学反应可以产生磷化氢；第二，金星上有一些可以产生磷化氢的生命活动。
定性怀疑
这篇论文因“外星生命”这个话题而受到广泛关注。国内外一些媒体使用“科学家在金星上发现外星生命”等标题，显然是夸大其词和不负责任的报道和解读，但论文本身也受到了一些同行的质疑。比如，莱顿大学的I.A.G. Snellen等5位荷兰研究机构的天文学家在预印好的网站上发表了一篇文章，指出格里夫斯的研究团队在ALMA观测数据的处理上存在问题。[2]
质疑荷兰研究人员在预先打印的网站arXiv上发表的论文
研究人员在研究天体大气时，可以通过分析天体大气的光谱来确认某些物质的存在。比如在磷化氢的研究中，由于磷化氢可以吸收频率为267GHz的电磁波，当研究人员发现JCMT和阿尔玛获得的信号中有一个频率为267GHZ的凹陷时，他们推测金星上存在吸收该频率的磷化氢。
但斯内伦等人指出，为了消除噪声在处理ALMA数据时对电磁波的影响，格里夫斯的团队使用了12阶多项式来拟合噪声的实验曲线。一般来说，用多项式拟合观测数据是一种常用的数据处理方法。但使用高阶多项式时，阶数越高，曲线振荡越明显，越偏离真实情况。格里夫斯等人在这里用了12阶多项式，结果可想而知。在重新分析独立数据后，斯内伦等人得到磷化氢信号低于通常阈值的结果，具有统计学意义。因此，他们得出结论，格里夫斯等人对ALMA 267 GHz数据的分析不能获得金星大气中磷化氢的统计证据。
与斯内伦等人的这篇论文相比，后来发表的另一组研究人员的结论更为积极：《金星大气中没有磷化氢》(金星大气中没有磷)。在预印网站上发表的这篇文章中，提交给《自然天文学》，他们认为因为磷化氢(266.944513 GHz)的吸收频率与二氧化硫(266.943329 GHz)的吸收频率非常接近，所以不排除发现的信号实际上是二氧化硫。[3]
文章标题为《金星大气中没有磷化氢》
侧景
这篇关于金星大气中磷化氢的论文发表时，研究小组强调，这篇论文只提出了两种可能性，宣称在地球之外发现生命还为时过早。该论文的合著者、麻省理工学院的博士后研究员克拉拉索萨-席尔瓦当时表示，需要进一步的研究来证实已发表的发现。他们和他们的合作者原本计划使用美国国家航空航天局(NASA)和德国航空航天中心联合运营的平流层红外天文台(SOFIA)，以及美国国家航空航天局(NASA)在夏威夷的红外望远镜设备进行进一步观察，但新冠肺炎肺炎疫情打乱了他们的计划，这使得后续观察不得不推迟。
与对科学界的谨慎态度相比，格里夫斯在面对公众时更“直接”。当研究结果受到质疑时，2020年11月7日，格里夫斯受邀参加“2020腾讯科技WE大会”，并发表主旨演讲。在视频演讲中，格里夫斯有意强调磷化氢与生命的潜在联系。她说寻找磷化氢的原因是因为“它是地球生命圈的标志之一”，而在过去相对合适的环境下，“金星可能会孕育生命”。[4]
随着现代科学的发展，我们已经不能像现代科学诞生时那样“看到”研究对象了。希格斯玻色子和引力波的发现依赖于科学家对数据的分析和解释。金星大气磷化氢的研究现状让人联想到最近的一些研究，比如2014年曾经轰动一时的原始引力波。2014年3月，美国BICEP2合作小组宣布，首次通过宇宙微波背景辐射的极化信号探测到原始引力波。这一发现将有力支持宇宙膨胀理论，并深刻影响我们对宇宙起源和演化的理解。但进一步的数据分析和来自普朗克卫星的数据显示，BICEP2合作团队严重低估了星系尘埃的影响，他们的数据分析判断出现了严重失误，最终不得不撤回原来发现引力波的结论。
当然，与最初的引力波不同，对金星磷化氢的研究还没有定论。我们继续关注后续发展，看看格里夫斯的研究团队如何应对，是否有新的证据支持其中任何一项。
展览希望
格里夫斯说，她希望新的研究将激发返回金星的热情。以前，研究人员对研究金星不如研究火星感兴趣，所以发送到金星的探测器相对较少。例如，在美国宇航局研究金星表面的麦哲伦探测器，早在1994年就完成了任务。
日本曙光号探测器于2015年进入金星轨道，目前仍在研究金星大气和火山活动。虽然它缺乏直接发现磷化氢的设备，但收集到的数据可以帮助我们更好地了解金星的大气。
此外，几个金星探索项目正在准备中。如果科学家可以发射探测器到达金星大气层并完成采样和返回，他们就可以直接检查磷化氢是否存在。美国宇航局的下一代金星探测器VERITAS计划于2026年发射。最初的计划是探索金星的地形和地质特征。[5]喷气推进实验室的科学家、VERITAS首席研究员苏斯姆雷卡尔在接受《自然》采访时说：“借助VERITAS任务探索金星的生命迹象是可能的。在发射维尔软件的同时，可以设计一个额外的小型探测器来研究金星的生命迹象。”[6]
维尔软件公司作品的艺术想象(来源：美国国家航空航天局/JPL-加州理工学院)
除了火星和金星，科学家们还着眼于在更多的系外行星上发现外星生命。多亏了2018年4月发射的退役的开普勒任务和过境系外行星调查卫星TESS，科学家们已经发现了数以千计的系外行星。詹姆斯韦伯太空望远镜发射后，可以更仔细地观察这些系外行星，特别是了解它们的大气成分。这将有助于科学家了解这些系外行星是否有生命，是否适合生命。
加州大学圣克鲁斯分校教授、行星科学家道格拉斯林(Douglas Lin)在接受《赛老师》采访时表示，他对未来十年左右发现地外生命持乐观态度。他强调，这里所谓的“发现”，不是“用望远镜直接看到地外生命”，而是观察系外行星大气的光谱特征，推测大气中可能含有哪些气体成分；如果我们把气体检测为生命活动的产物，即“生命标志物”，比如早期地球上蓝藻产生的氧气，完全排除其他可能产生这种气体的机制，就可以说发现了地外生命。
格里夫斯等人对金星大气中磷化氢的研究就体现了这样一种研究思路。在得出令人信服的结论之前，我们需要继续加深对包括金星在内的目标行星的了解。“只有数据才能解决争论，”德国航天中心的科学家、维尔软件公司(VERITAS)项目成员约恩赫尔伯特(rn Helbert)在接受《自然》采访时说：“我们需要获得火星甚至金星的水星等基础数据。”[6]
参考资料
[1]https://www.nature.com/articles/s41550-020-1174-4
[2]https://arxiv.org/abs/2010.09761
[3]https://arxiv.org/abs/2010.14305
[4]https://v.qq.com/x/page/i32024lcl1s.html
[5]https://www . NASA . gov/feature/JPL/VERITAS-exploring-the-deep-true-of-venus
[6]https://www.nature.com/articles/d41586-020-02785-5