金星大氣中發現磷化氫,表明有生命存在的可能?

2021-01-15 返樸

天體生物學家在金星上發現了磷化氫，這種分子被當成生命存在標誌。

撰文 | 劉辛味

日本破曉號探測器拍攝的金星硫酸雲層（偽色）丨圖源：AKATSUKI PROJECT TEAM/ISAS/JAXA

高。這種劇毒、易燃且極臭的氣體在地球上通常由微生物產生，在天體生物學中被當成生命體標記。研究人員認為地球的鄰居——金星可能有生命存在的跡象，也可能發生了一系列我們未知的光化學或地球化學過程。研究成果發表在《自然-天文學》。

這一發現令科學家興奮，因為磷化氫這一物質在地球上參與生命過程，是新陳代謝的副產品。磷化氫是由厭氧生物產生的氣體，散發出難聞的味道，達到一定濃度會致人中毒損傷。但它也被認為可能對全球的磷循環有重要貢獻。另外，磷化氫也有一些工業和農業用途，如燻蒸劑。

事實上，此前科學家曾在氣態行星木星和土星中發現過磷化氫，他們發現氣態巨行星上的極端環境可能提供能量上的幫助，克服磷原子和氫原子之間的排斥，使其自然形成磷化氫。而在地球上磷化氫只是厭氧生物的產物，很難通過普通的地質或大氣作用生成，並且這種分子極不穩定，要持續產生才能維持存在，這便是磷化氫被當成生命燈塔的原因。

磷化氫分子丨圖源：wiki

金星是平日夜空中最容易見到的天體之一，自古以來就在人類文化中佔有舉足輕重的地位。比如金星在古羅馬神話代表愛與美之神維納斯，至今生物學上表示女性的符號用的就是金星的佔星符號。金星是太陽系中的四個類地行星之一，其質量、體積與地球相似，直徑僅比地球小638.4公裡。但與地球舒適的環境相比，金星堪稱「地獄」，地表條件對生命很不友好，表面的壓力是地球的92倍，溫度高達900℃（表面平均溫度至少為462℃），足以熔化鉛塊。即使水星才是距離太陽最近的行星，但地表溫度最高的是金星。

論文作者、英國卡迪夫大學教授Jane Greaves和她的團隊在2017年用位於夏威夷的麥克斯韋望遠鏡（JMCT）觀測了金星。作為射電天文學家的Jane Greaves通常把目光放在遙遠的星系，主要研究年輕恆星系統的行星，但太陽系後院裡的行星也是她關注的對象，觀察冥王星、土星和其衛星等，希望能找到生命存在的證據。他們本來沒指望能在這裡找到磷化氫分子，只是為尋找系外行星大氣物質設定可檢測性基準。因為磷更容易與氧結合，金星大氣層主要由二氧化碳組成，偏強酸性。這種環境被認為並不適合於磷化氫的產生。但令他們意想不到的是，竟然發現了磷的光吸收譜線，團隊甚至一度認為是錯誤信號，但分析發現只有磷化氫是最有可能的解釋。

麥克斯韋望遠鏡丨圖源：WILL MONTGOMERIE/JCMT/EAO

2019年，他們又用位於智利的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣（ALMA）進行了觀察，該望遠鏡性能更好，最終他們探測到屬於磷化氫的光譜特徵，並估算出金星雲層中距地面53公裡處的磷化氫豐度為20ppb（十億分之二十），是地球大氣中濃度的數千倍。雖然十億分之二十聽起來微不足道，但科學家認為實際上不應該有那麼多。在金星高層大氣中發現的酸性條件下，一個分子的平均壽命只有16分鐘左右。為了抵消這種持續性的破壞，必須有大量穩定的氣體來源。

許多科學家表示了這項研究令人驚訝，華盛頓大學的天體生物學家Michael Wong表示，「這確實是一個令人困惑的發現，因為磷化氫並不符合我們對金星大氣存在化學物質的理解。」 威斯敏斯特大學的天體生物學家Lewis Dartnell認為，「這些氣體含量遠遠高於目前已知方法生產所能解釋的水平」。

在地球上，許多能低氧環境中茁壯生長的微生物會產生磷化氫。而在距離金星表面53到61公裡的高空，這裡的溫度與地球相似，是適宜的30攝氏度，有提供生命的基礎環境。53年前，美國天文學家、科普作家卡爾·薩根就曾假設這裡存在生命，「儘管金星的表麵條件使在那裡生活的假設是難以置信的，但金星的雲層完全不同」。

Greaves團隊試圖找出這些磷化氫的來源。研究團隊考察了各種可能產生磷化氫的方式，包括來自金星地表、微隕星、閃電或雲層內部的化學過程。含磷礦物是磷化氫的一種可能的原料，但它不太可能從行星表面飄至高空。閃電和陽光碟機動的化學反應也不能產生足夠的氣體。地球上火山噴出的磷化氫非常少，如果同樣的過程發生在金星，那麼金星上的火山活躍程度要達到地球的200倍以上。

最終，他們無法確定這些微量磷化氫的來源，因此在論文中謹慎地提出，磷化氫分子可能由金星上的生命體產生，但探測到磷化氫無法作為存在微生物生命的有力證據，只能表明金星上可能發生著未知的地質或化學過程。

該研究的合著者、麻省理工學院的行星科學家Sukrit Ranjan認為，磷化氫的存在並不一定是生命存在的肯定跡象。磷化氫的化學性質並不為人所知，而且這種氣體可能更容易在金星大氣中較低的溫和層中存在，這樣就可以避免太陽光的照射，而太陽光會破壞磷化氫的光化學反應。還有科學家對磷化氫的光譜信號的真實性產生質疑，因為信號微弱，可能是同頻率的人工信號。ALMA天文臺John Carpenter指出，遠程分子識別的標準涉及檢測同一分子的多個指紋，這些指紋在電磁波譜上以不同的頻率顯示，但該團隊尚未對磷化氫進行研究，「他們步驟正確，但我不確定是真實的」。

研究團隊認為兩個獨立望遠鏡的結果同時出現統計問題的可能性很小，他們也希望能在其他波段識別磷化氫，本計劃用平流層紅外天文臺（SOFIA）和NASA紅外望遠鏡（IRTF）觀測驗證，但因為新冠疫情暫時擱置。

長期以來，科學家希望從火星上尋找生命，今年扎堆發射的火星探測器就有最終判定火星是否有生命的目標。近年來對金星的探測確實已經很少，現在只有日本破曉號（Akatsuki）探測器在軌道運行。而早期對金星的探測表明，大氣中某部分對紫外線吸收比預期多，有科學家提出這可能是空氣微生物所致，但更有可能是含硫化合物存在——微生物產生了硫。觀察推測金星還曾有液態水，因此有一些科學家認真描述了「金星人」生存可能。如今，這些研究或許應該被嚴肅地考慮。作為地球鄰居的金星，我們仍了解很少，至少這裡還有很多未知的大氣化學現象。

參考來源

Greaves, J.S., Richards, A.M.S., Bains, W. et al. Phosphine gas in the cloud decks of Venus. Nat Astron (2020). https://doi.org/10.1038/s41550-020-1174-4

https://www.sciencemag.org/news/2020/09/curious-and-unexplained-gas-spotted-venus-s-atmosphere-also-spewed-microbes-earth

https://www.scientificamerican.com/article/venus-might-host-life-new-discovery-suggests/

https://www.nationalgeographic.com/science/2020/09/possible-sign-of-life-found-on-venus-phosphine-gas/

https://en.wikipedia.org/wiki/Venus#Early_studies

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