金星大氣磷化氫研究存疑，但搜尋生命標誌物仍值得期待

來源：JAXA（日本宇宙航空研究開發機構）

撰文 | 鞠 強

編輯 | 王一葦

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在人類探索宇宙的過程中，尋找外星生命一直是最令人激動的目標之一。2020年9月，一項關於金星的研究引發外界對外星生命的聯想。雖然後續的研究對這項研究的結論提出了強烈質疑，但類似的研究路徑也許是我們尋找外星生命最可能的方向之一。

驚 喜

2020年9月14日，一個由卡迪夫大學、劍橋大學、曼徹斯特大學、麻省理工學院等機構的研究人員組成的研究團隊在《自然·天文學》（Nature Astronomy）發表論文，宣布他們使用位於智利的阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）望遠鏡和位於夏威夷的麥克斯韋望遠鏡（James Clerk Maxwell Telescope, JCMT）在金星大氣中發現了磷化氫（PH3）。他們在論文中提出，目前已知的各種非生命機制都不足以解釋觀測到的磷化氫，因此金星大氣中可能存在能夠產生磷化氫的生命機制。[1]

發表在《自然·天文學》上的論文

目前，研究人員在太陽系內搜索生命跡象時，主要瞄準火星和一些衛星，比如土衛二、土衛六、木衛二等。

金星的體積是地球體積的87%，質量是地球的82%，引力情況也和地球類似，堪稱 「孿生兄弟」。同時，金星也位於太陽系的宜居帶中，具備存在液態水的條件，被大氣覆蓋，因此有孕育生命的可能。但是，半個多世紀以來的研究表明，金星表面的條件極其惡劣，幾乎不可能存在生命。

不過，也有研究人員認為，在金星的大氣中有存在生命的可能性。金星表面壓強大，溫度高，但在高層大氣中，存在溫度和壓力相對適宜的區域。半個多世紀以來，「雲上生命」 的想法不曾間斷。2017年，該論文的第一作者、卡迪夫大學教授簡·格裡維斯（Jane Greaves）和同事使用JCMT觀測金星的大氣，發現了磷化氫存在的跡象。2019年，這個研究團隊使用精度更高的ALMA再次探測金星大氣，又發現了磷化氫。他們根據觀測計算出這些分子位於金星表面上方約51-60千米處，正是金星大氣中溫度和壓力相對適宜的區域。同時，他們根據信號的強度計算出磷化氫的豐度大約為20ppb（ppb為十億分之一的濃度），至少是地球大氣中磷化氫豐度的1000倍以上。

在金星高層大氣中發現磷化氫分子的藝術想像圖

（來源：ESO / M. Kornmesser / L. Calçada & NASA / JPL / Caltech）

磷化氫是厭氧微生物的代謝產物，而非生命過程也可以產生磷化氫。但是，根據這個研究團隊的計算，任何非生命過程都無法產生他們觀測到的磷化氫豐度。這樣一來，擺在他們面前就還有兩個選項：一是金星上某種未知的地質過程或者光化學反應可以產生磷化氫；二是金星上存在某種可以產生磷化氫的生命活動。

質 疑

這篇論文因為 「外星生命」 的話題性而受到廣泛關注。國內外一些媒體使用諸如 「科學家在金星發現外星生命」 等標題顯然是誇大其詞，是不負責任的報導和解讀，但很快論文本身也遭到了一些同行的質疑。例如，萊頓大學的斯奈倫（I.A.G. Snellen）等5位來自荷蘭研究機構的天文學家就在預印本網站上發表了一篇文章，提出格裡維斯的研究團隊對ALMA觀測數據的處理方式存在問題。[2]

荷蘭研究人員在預印本網站arXiv上發表的質疑論文

研究人員對天體大氣進行研究時，可以通過分析天體大氣的光譜來確認某些特定物質的存在。比如在磷化氫這項研究中，因為磷化氫會吸收頻率為267GHz的電磁波，所以當研究人員在JCMT和ALMA獲得的信號中發現在267GHZ的頻率上有凹陷時，就推測金星上存在吸收這個頻率的磷化氫。

但是，斯奈倫等人指出，在處理ALMA的數據時，為了去除噪聲對電磁波的影響，格裡維斯的團隊使用了12階多項式對噪聲的實驗曲線進行擬合。一般來說，使用多項式對觀測數據進行擬合是處理數據的常見方法，但是使用高階多項式的時候，階數越高，曲線振蕩越明顯，越會偏離真實情況。格裡維斯等人在這裡使用的是12階多項式，結果可想而知。在重新進行獨立的數據分析後，斯奈倫等人得到的結果是，磷化氫的信號低於具有統計學意義的通常閾值。因此他們得出結論，格裡維斯等人的研究對ALMA的267GHz數據的分析得不出金星大氣中存在磷化氫的統計學證據。

與斯奈倫等人的這篇論文相比，另一組研究人員隨後發表的文章結論則更加肯定：《金星大氣中沒有磷化氫》（No phosphine in the atmosphere of Venus）。在這篇公布在預印本網站並提交給《自然·天文學》的文章中，他們認為由於磷化氫的吸收頻率（266.944513 GHz）和二氧化硫的吸收頻率（266.943329 GHz）非常接近，因此不排除發現的信號其實是二氧化硫。[3]

題為《金星大氣中沒有磷化氫》文章

旁 觀

在這篇有關金星大氣磷化氫的論文發布的時候，研究團隊就強調，這篇論文只是提出了兩種可能性，斷言在地球以外發現生命還為時尚早。論文的共同作者、麻省理工學院博士後研究員克萊拉·索薩-席爾瓦（Clara Sousa-Silva）當時表示，需要進一步的研究來確認此次公布的發現。他們和合作者原計劃使用由美國國家航空航天局（NASA）和德國航空航天中心共同運營的同溫層紅外線天文臺（SOFIA）以及NASA位於夏威夷的紅外望遠鏡設備進行進一步觀測，但是新冠肺炎疫情打亂了他們的計劃，使得後續觀測不得不被推遲。

與面對科學界的謹慎態度相比，格裡維斯在面對公眾的時候則比較 「直接」。在研究成果受到質疑之際，2020年11月7日，格裡維斯受邀參加了 「2020騰訊科學WE大會」 並發表了主題演講。在視頻演講中，格裡維斯有意強調了磷化氫與生命的潛在聯繫，她表示搜尋磷化氫的原因就是因為 「它是地球生命圈的標誌之一」，而在過去相對適宜的環境中，「金星可能孕育出生命」。[4]

現代科學的發展使得我們已經不像近代科學誕生之際那樣可以 「看到」 研究對象，希格斯玻色子和引力波的發現都有賴於科學家對數據的分析和解讀。金星大氣磷化氫研究的現狀令人聯想到近年來的一些研究，比如2014年曾經轟動一時的原初引力波。2014年3月，美國BICEP2合作組宣布他們通過宇宙微波背景輻射的極化信號，首次探測到原初引力波。這個發現將有力地支持宇宙暴脹理論，深刻影響我們對宇宙起源和演化的理解。但是，此後的進一步數據分析以及來自普朗克衛星的數據表明，BICEP2合作組嚴重低估了星系塵埃的影響，他們的數據分析和判斷都出現了嚴重失誤，最後也不得不收回發現原初引力波的結論。

當然，與原初引力波不同，目前關於金星磷化氫的研究仍未塵埃落定。我們繼續關注後續發展，看看格裡維斯的研究團隊如何作出回應，以及是否有支持其中任何一方的新證據出現。

展 望

格裡維斯表示，她希望這項新研究能喚起重返金星的熱情。由於此前研究人員對研究金星興趣不如火星那麼高，因此發射到金星的探測器相對較少，比如美國國家航空航天局（NASA）上一個研究金星表面的麥哲倫號探測器已經早在1994年就結束了任務。

日本的曙光號探測器於2015年進入金星軌道，目前仍在在研究金星大氣和火山活動。雖然它缺少直接發現磷化氫的設備，但是收集的數據可以幫助我們更好地了解金星大氣的情況。

除此之外，幾個金星探測計劃正在籌備中。如果科學家能夠發射探測器到達金星大氣並完成採樣返回，那就可以直接檢驗磷化氫是否存在。NASA的下一代金星探測器VERITAS計劃在2026年發射升空，原計劃是探索金星的地形和地質特徵。[5] 噴氣推進實驗室科學家、VERITAS首席研究員蘇·斯姆雷卡爾（Sue Smrekar）在接受《自然》採訪時表示：「藉助VERITAS任務來探索金星的生命跡象是有可能的。在發射VERITAS的同時，還可以設計一個附加的小型探測器來研究金星的生命跡象。」 [6]

VERITAS工作的藝術想像圖（來源：NASA/JPL-Caltech）

除了火星和金星，科學家也把尋找外星生命的目光投到更多的系外行星上。得益於已經退役的克卜勒太空望遠鏡和於2018年4月發射升空的凌日系外行星巡天衛星 「苔絲」（TESS），科學家已經發現了數千顆系外行星。詹姆斯韋伯太空望遠鏡發射後，它憑藉強大的觀測能力可以對這些系外行星進行更加細緻的觀測，特別是了解它們的大氣組成。這將幫助科學家了解這些系外行星是否存在生命以及是否適宜生命生存等。

行星科學家、美國加州大學聖克魯斯分校教授林潮（Douglas Lin）曾在接受《賽先生》採訪時表示，他對未來十幾年內發現地外生命持樂觀態度。他強調，這裡所謂的 「發現」 並非 「用望遠鏡直接看到地外生命」，而是觀測系外行星大氣層的光譜特徵，推測大氣中可能含有哪些氣體成分；如果探測到作為生命活動產物的氣體，即 「生命標誌物」，比如早期地球上藍藻產生的氧氣，又完全排除其他可能產生這種氣體的機制，就可以認為發現了地外生命。

格裡維斯等人對金星大氣磷化氫的研究正體現出這樣一種研究思路。在得出有說服力的結論之前，我們需要繼續加深對包括金星在內的目標行星的了解。「只有數據能解決爭論」，德國航空航天中心科學家、VERITAS計劃成員赫爾伯特（Jörn Helbert）在接受《自然》採訪時表示：「我們對金星需要獲得像火星哪怕是水星那樣的基礎數據才可以。」 [6]

參考資料

[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-truths-of-venus

[6] https://www.nature.com/articles/d41586-020-02785-5