金星大氣磷化氫研究存疑，但搜尋生命標志物仍值得期待
撰文 | 鞠 強
編輯 | 王一葦
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(guān)于金星的研究引發(fā)外界對外星生命的聯(lián)想。雖然后續(xù)的研究對這項研究的結(jié)論提出了強烈質(zhì)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。
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(gòu)的研究人員組成的研究團隊在《自然·天文學》（Nature Astronomy）發(fā)表論文，宣布他們使用位于智利的阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）望遠鏡和位于夏威夷的麥克斯韋望遠鏡（James Clerk Maxwell Telescope, JCMT）在金星大氣中發(fā)現(xiàn)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(chǎn)生磷化氫的生命機制。[1]
目前，研究人員在太陽系內(nèi)搜索生命跡象時，主要瞄準火星和一些衛(wèi)星，比如土衛(wèi)二、土衛(wèi)六、木衛(wèi)二等。
金星的體積是地球體積的87%，質(zhì)量是地球的82%，引力情況也和地球類似，堪稱 “孿生兄弟”。同時，金星也位于太陽系的宜居帶中，具備存在液態(tài)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(qū)域。半個多世紀以來，“云上生命” 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·格里維斯（Jane Greaves）和同事使用JCMT觀測金星的大氣，發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)了磷化氫。他們根據(jù)觀測計算出這些分子位于金星表面上方約51-60千米處，正是金星大氣中溫度和壓力相對適宜的區(qū)域。同時，他們根據(jù)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。
磷化氫是厭氧微生物的代謝產(chǎn)物，而非生命過程也可以產(chǎn)生磷化氫。但是，根據(jù)這個研究團隊的計算，任何非生命過程都無法產(chǎn)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(zhì)過程或者光化學反應(yīng)可以產(chǎn)生磷化氫；二是金星上存在某種可以產(chǎn)生磷化氫的生命活動。
這篇論文因為 “外星生命” 的話題性而受到廣泛關(guān)注。國內(nèi)外一些媒體使用諸如“科學家在金星發(fā)現(xiàn)外星生命”等標題顯然是夸大其詞，是不負責任的報道和解讀，但很快論文本身也遭到了一些同行的質(zhì)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(gòu)的天文學家就在預印本網(wǎng)站上發(fā)表了一篇文章，提出格里維斯的研究團隊對ALMA觀測數(shù)據(jù)的處理方式存在問題。[2]
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(zhì)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(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)時，為了去除噪聲對電磁波的影響，格里維斯的團隊使用了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(shù)據(jù)進行擬合是處理數(shù)據(jù)的常見方法，但是使用高階多項式的時候，階數(shù)越高，曲線振蕩越明顯，越會偏離真實情況。格里維斯等人在這里使用的是12階多項式，結(jié)果可想而知。在重新進行獨立的數(shù)據(jù)分析后，斯奈倫等人得到的結(jié)果是，磷化氫的信號低于具有統(tǒng)計學意義的通常閾值。因此他們得出結(jié)論，格里維斯等人的研究對ALMA的267GHz數(shù)據(jù)的分析得不出金星大氣中存在磷化氫的統(tǒng)計學證據(jù)。
與斯奈倫等人的這篇論文相比，另一組研究人員隨后發(fā)表的文章結(jié)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(wǎng)站并提交給《自然·天文學》的文章中，他們認為由于磷化氫的吸收頻率（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(fā)現(xiàn)的信號其實是二氧化硫。[3]
在這篇有關(guān)金星大氣磷化氫的論文發(fā)布的時候，研究團隊就強調(diào)，這篇論文只是提出了兩種可能性，斷言在地球以外發(fā)現(xiàn)生命還為時尚早。論文的共同作者、麻省理工學院博士后研究員克萊拉·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(fā)現(xiàn)。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位于夏威夷的紅外望遠鏡設(shè)備進行進一步觀測，但是新冠肺炎疫情打亂了他們的計劃，使得后續(xù)觀測不得不被推遲。
與面對科學界的謹慎態(tài)度相比，格里維斯在面對公眾的時候則比較 “直接”。在研究成果受到質(zhì)疑之際，2020年11月7日，格里維斯受邀參加了 “2020騰訊科學WE大會” 并發(fā)表了主題演講。在視頻演講中，格里維斯有意強調(diào)了磷化氫與生命的潛在聯(lián)系，她表示搜尋磷化氫的原因就是因為 “它是地球生命圈的標志之一”，而在過去相對適宜的環(huán)境中，“金星可能孕育出生命”。[4]
現(xiàn)代科學的發(fā)展使得我們已經(jīng)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(fā)現(xiàn)都有賴于科學家對數(shù)據(jù)的分析和解讀。金星大氣磷化氫研究的現(xiàn)狀令人聯(lián)想到近年來的一些研究，比如2014年曾經(jīng)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(fā)現(xiàn)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，此后的進一步數(shù)據(jù)分析以及來自普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)表明，BICEP2合作組嚴重低估了星系塵埃的影響，他們的數(shù)據(jù)分析和判斷都出現(xiàn)了嚴重失誤，最后也不得不收回發(fā)現(xiàn)原初引力波的結(jié)論。
當然，與原初引力波不同，目前關(guān)于金星磷化氫的研究仍未塵埃落定。我們繼續(xù)關(guān)注后續(xù)發(fā)展，看看格里維斯的研究團隊如何作出回應(yīng)，以及是否有支持其中任何一方的新證據(jù)出現(xiàn)。
格里維斯表示，她希望這項新研究能喚起重返金星的熱情。由于此前研究人員對研究金星興趣不如火星那么高，因此發(fā)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(jīng)早在1994年就結(jié)束了任務(wù)。
日本的曙光號探測器于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(fā)現(xiàn)磷化氫的設(shè)備，但是收集的數(shù)據(jù)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(fā)射探測器到達金星大氣并完成采樣返回，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(fā)射升空，原計劃是探索金星的地形和地質(zhì)特征。[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》采訪時表示：“借助VERITAS任務(wù)來探索金星的生命跡象是有可能的。在發(fā)射VERITAS的同時，還可以設(shè)計一個附加的小型探測器來研究金星的生命跡象?！?[6]
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。得益于已經(jīng)退役的開普勒太空望遠鏡和于2018年4月發(fā)射升空的凌日系外行星巡天衛(wèi)星 “苔絲”（TESS），科學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)千顆系外行星。詹姆斯韋伯太空望遠鏡發(fā)射后，它憑借強大的觀測能力可以對這些系外行星進行更加細致的觀測，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、美國加州大學圣克魯斯分校教授林潮（Douglas Lin）曾在接受《賽先生》采訪時表示，他對未來十幾年內(nèi)發(fā)現(xiàn)地外生命持樂觀態(tài)度。他強調(diào)，這里所謂的 “發(fā)現(xiàn)” 并非 “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征，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(chǎn)物的氣體，即 “生命標志物”，比如早期地球上藍藻產(chǎn)生的氧氣，又完全排除其他可能產(chǎn)生這種氣體的機制，就可以認為發(fā)現(xiàn)了地外生命。
格里維斯等人對金星大氣磷化氫的研究正體現(xiàn)出這樣一種研究思路。在得出有說服力的結(jié)論之前，我們需要繼續(xù)加深對包括金星在內(nèi)的目標行星的了解。“只有數(shù)據(jù)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（J?rn Helbert）在接受《自然》采訪時表示：“我們對金星需要獲得像火星哪怕是水星那樣的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)才可以?！?nbsp;[6]
