行星科學史上最大的意外之一是,2020年9月的一項研究宣布金星雲層中存在磷化氫氣體:這可能是生物過程引起的誘人暗示。磷化氫(PH3)與氨化氫(NH3)在化學上相似,但磷化氫(PH3)僅通過生化過程在地球上自然產生,據稱在金星中以20億分之十的水平存在。 JCMT和ALMA這兩個獨立的觀測站都聲稱可以檢測到該信號,因此該信號看上去很強。
圖註:在許多方面,金星是太陽系中與地球最相似的行星。 具有可比的質量和半徑,它可能在數億甚至數十億年的時間裡擁有水、潮溼的,並且與人類一樣對生命友好。 如今,其濃厚的硫酸氣氛使它的表面不適合居住,但具有廣泛的化學反應潛力。
這一發現提出了令人興奮的可能性,即金星的雲是生命的家園,而這些生物生命形式正在產生這種膦。實際上,太陽輻射產生的光化學過程,熱力學大氣效應產生的化學過程以及表面化學反應產生的地球化學過程都被認為不足以產生這些水平的膦。
那麼,難道是生化過程中產生的嗎?也許。但這是假設磷化氫確實存在的前提下,一項新的研究剛剛提交,這個研究對整個磷化氫探測提出了質疑。並且剛剛提交了一項新研究,這使整個檢測都令人懷疑。
早在9月,由簡·格裡夫斯(Jane Greaves)教授領導的一組科學家宣布通過在天文學中應用一種眾所周知的非常簡單的技術來發現磷化氫(PH3)。
他們在來自JCMT和ALMA的兩個獨立數據集中看到的是在相同波長和相同信號強度下的吸收特徵,表明存在某種東西導致無線電波被特定頻率吸收,該頻率對應於磷化氫分子中的自然轉變。如果正確執行了此分析,則表明磷化氫確實存在。
立即並且完全可以理解,這引發了炒作的風暴。這種磷化氫是如何形成的?是什麼原因導致它的存在,它在中緯度和40至60 km的海拔高度上表現最強:在金星的「溫帶」中或附近,那裡的溫度和氣壓與地球表面的溫度和氣壓相似?
好吧,磷化氫自然存在於地球上,因為厭氧環境中的細菌(據推測是大腸桿菌的一種形式)會產生磷化氫。金星的大氣是一個厭氧環境,在金星的條件下是行不通的。我們可以通過受控的化學反應在地球上人工生產它,但是這些條件也不適用於金星。
發現小組推測,也許確實是由於金星在特定高度上的雲層中存在生物,如果它們的密度接近最大可能的上限,它們就會產生足夠的磷化氫。
但是還有另一種可能的解釋,即如果我們是負責任的科學家,則必須考慮。數據的分析方式可能存在缺陷,也許這意味著根本不存在磷化氫。從生化到熱力學再到無機化學途徑,我們一直在推測可能導致該分子存在的原因的途徑之前,我們必須確保我們沒有完全在自欺欺人。即使我們盡了最大的責任,我們也必須排除我們的分析導致我們得出錯誤結論的可能性。
我們可以做的第一個合理的檢查是查看較舊的數據:來自過去探過金星大氣層的任務。1978年,Pioneer-Venus大探針中性質譜儀問世,它測量了金星雲層內不同高度的中性氣體質量。特別是,它們對50-60 km之間的氣體敏感,這在最近的數據支持存在磷化氫的區域中是正確的。在宣布「關於金星大氣中磷化氫」發布不到兩周後,一個團隊重新檢查了該數據,以查看其是否與磷化氫一致。
通過大規模分解金星的大氣成分,他們發現是:
原子磷可能是磷化氫的一個組成原子,其他原子團(例如PH和PH2)也可能被檢測到。以前,可能是磷化氫的特徵歸因於硫化氫,但這種重新分析表明磷化物可能構成部分甚至所有信號。不過,這些數額與格裡夫斯等人的研究表明的一致嗎?據提交人稱:
「雖然峰強度很低,但它們可能與格裡夫斯等人報導的〜20 ppb豐度相符。」
所以,也許,較早的數據並不能給我們灌籃,但也不會不利於磷化氫。
那其他觀察結果呢?我們多年來一直在光譜的紅外部分監視金星,與無線電觀測所揭示的相比,它在不同的高度揭示了不同的分子特徵集:探測金星大氣層的雲頂。自2012年以來,這些觀察結果使我們能夠確定二氧化矽(SO2)和水分子(H2O)的存在與分布。
如果磷化氫存在於金星上,並且是由作者提出的機制產生的,則它有時應上升到雲頂,並在紅外光譜中出現。通過檢查多年來存在的數據,一組科學家——恰好把格裡夫斯納入了作者名單——他們在2015年3月只發現了一個窗口,在該窗口中出現了與磷化氫一致的光譜特徵。作者得出的結論是:
「由於在此頻率下沒有任何特徵,我們得出[99.7%可信度] 5 ppb的上限...」
表示他們不贊成無線電數據得出的結論,而是認為,
「我們的上限與整個中層中20 ppb的恆定混合比不兼容,正如格裡夫斯等人宣布的那樣。 (2020)。」
但是,最直接的反駁是,事實證明,高質量的ALMA數據畢竟表明磷化氫的存在,而該數據是迄今為止磷化氫存在的最有力證據。這將是一個非同尋常的反駁,因為原始研究聲稱可以以驚人的〜15-sigma置信水平明確地檢測出與磷化氫一致的光譜線。〜15-sigma結果錯誤的機率大約與在一個可觀察的宇宙中獲取一個亞原子的抽籤彩票的機率。
2020年10月19日,一份論文已提交給arXiv:預印伺服器,幾乎所有天體物理學論文都在此發表。通過對原始ALMA數據本身進行獨立的重新分析,他們以可比的置信度找到了此類信號的痕跡。實際上,他們的重大發現可以歸納為兩點:
原始團隊處理數據的方式存在缺陷,他們證明了這些錯誤會導致錯誤的高置信度信號,
並且,當他們(正確)處理數據時,出現的最「可信」信號甚至沒有達到〜2σ置信度,這被視為不可檢測。
讓我們更深入地看一下本文作者所解釋的每個點。
分析中的缺陷。在作為天文學家的行星上進行光譜分析時,通常要做的事情如下:
問題是,最後一步是強大的,但潛在的危險。通常,您希望去除噪聲結構和儀器效果,同時保持真正的光譜要素完好無損。這是最初的 (格裡夫斯等人) 團隊所做的, 這就是他們如何發現磷化氫。
但是由伊格納斯·斯內倫(Ignas Snellen)領導的再分析小組發現,格裡夫斯(Greaves)等人使用的擬合減法方法。研究小組認為「光譜特徵和人工結果的重要性被嚴重高估了」。換句話說,聲稱的磷化氫檢測是不可靠的,因此他們繼續演示如何進行。
檢測信號"消失",沒有不當的分析技術。上圖是斯內倫等人的"圖 2",您應該將圖 2 作為兩半。前半部分顯示了光譜的六個區域:連續減法之後,但在對儀器紋波建模之前。原始數據以窄條形圖樣式顯示,其上面覆蓋著"最佳擬合"模型:平滑、連續的曲線。
後半部分顯示了相同的六個區域,但從中減去了"最佳擬合"模型。正如你可以清楚地看到,吸收功能堅持在所有六個區域,如一個疼痛的拇指。
但這就是問題所在:這六個方框的左上角對應於聲稱檢測到磷化氫的區域;其他五個框完全對應。所有六個區域都具有極高的信噪比。對於所有六個區域,結論應該是相同的:那裡什麼也沒有。根據斯內倫的論文:
「它表明,[格裡夫斯等人]遵循的程序是不正確的,並且會導致雜散的高信噪比線。」
相反,斯內倫的團隊認為,採用一種更為溫和的噪聲去除程序來處理數據的可信度更大:這不會導致虛假的高信噪比線路。完成後,信噪比僅為2左右。根本沒有去除任何噪聲,信噪比僅為1左右。正如斯內倫的團隊正確指出的那樣:「在天文學中,[信噪比]這麼低的特徵通常被認為在統計上並不重要。」
那麼,這一切意味著什麼呢?這意味著,正如格裡夫斯等人團隊所宣稱的,對磷化氫的初步檢測突然陷入巨大的懷疑。如果他們像這項新工作所主張的那樣以一種不合理的方式分析了他們的數據,那麼這種化學特徵畢竟可能不存在。這份新論文仍然需要經過同行評審過程,我懷疑原始團隊會自行進行重新分析,以查看得出的結論。
在最初似乎沒有特別證據的情況下,我們需要回到默認位置:金星沒有證據表明它是一個生物活躍的世界。除非對此新的分析提出反駁,並且證明最初的工作是正確的,否則金星上存在磷化氫的想法是無稽之談。