金星大氣磷化氫研究存疑，但搜尋生命標(biāo)志物仍值得期待
撰文 | 鞠 強(qiáng)
編輯 | 王一葦
在人類探索宇宙的過(guò)程中，尋找外星生命一直是最令人激動(dòng)的目標(biāo)之一。2020年9月，一項(xiàng)關(guān)于金星的研究引發(fā)外界對(duì)外星生命的聯(lián)想。雖然后續(xù)的研究對(duì)這項(xiàng)研究的結(jié)論提出了強(qiáng)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(gè)由卡迪夫大學(xué)、劍橋大學(xué)、曼徹斯特大學(xué)、麻省理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)的研究人員組成的研究團(tuán)隊(duì)在《自然·天文學(xué)》（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(yuǎn)鏡和位于夏威夷的麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（James Clerk Maxwell Telescope, JCMT）在金星大氣中發(fā)現(xiàn)了磷化氫（PH3）。他們?cè)谡撐闹刑岢?，目前已知的各種非生命機(jī)制都不足以解釋觀測(cè)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(jī)制。[1]
目前，研究人員在太陽(yáng)系內(nèi)搜索生命跡象時(shí)，主要瞄準(zhǔn)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(shí)，金星也位于太陽(yáng)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(gè)多世紀(jì)以來(lái)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(guò)，也有研究人員認(rèn)為，在金星的大氣中有存在生命的可能性。金星表面壓強(qiáng)大，溫度高，但在高層大氣中，存在溫度和壓力相對(duì)適宜的區(qū)域。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，“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(xué)教授簡(jiǎn)·格里維斯（Jane Greaves）和同事使用JCMT觀測(cè)金星的大氣，發(fā)現(xiàn)了磷化氫存在的跡象。2019年，這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)使用精度更高的ALMA再次探測(cè)金星大氣，又發(fā)現(xiàn)了磷化氫。他們根據(jù)觀測(cè)計(jì)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(duì)適宜的區(qū)域。同時(shí)，他們根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)度計(jì)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(guò)程也可以產(chǎn)生磷化氫。但是，根據(jù)這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的計(jì)算，任何非生命過(guò)程都無(wú)法產(chǎn)生他們觀測(cè)到的磷化氫豐度。這樣一來(lái)，擺在他們面前就還有兩個(gè)選項(xiàng)：一是金星上某種未知的地質(zhì)過(guò)程或者光化學(xué)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(dòng)。
這篇論文因?yàn)?“外星生命” 的話題性而受到廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)外一些媒體使用諸如“科學(xué)家在金星發(fā)現(xiàn)外星生命”等標(biāo)題顯然是夸大其詞，是不負(fù)責(zé)任的報(bào)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(xué)的斯奈倫（I.A.G. Snellen）等5位來(lái)自荷蘭研究機(jī)構(gòu)的天文學(xué)家就在預(yù)印本網(wǎng)站上發(fā)表了一篇文章，提出格里維斯的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)ALMA觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理方式存在問(wèn)題。[2]
研究人員對(duì)天體大氣進(jìn)行研究時(shí)，可以通過(guò)分析天體大氣的光譜來(lái)確認(rèn)某些特定物質(zhì)的存在。比如在磷化氫這項(xiàng)研究中，因?yàn)榱谆瘹鋾?huì)吸收頻率為267GHz的電磁波，所以當(dāng)研究人員在JCMT和ALMA獲得的信號(hào)中發(fā)現(xiàn)在267GHZ的頻率上有凹陷時(shí)，就推測(cè)金星上存在吸收這個(gè)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(shí)，為了去除噪聲對(duì)電磁波的影響，格里維斯的團(tuán)隊(duì)使用了12階多項(xiàng)式對(duì)噪聲的實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行擬合。一般來(lái)說(shuō)，使用多項(xiàng)式對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合是處理數(shù)據(jù)的常見(jiàn)方法，但是使用高階多項(xiàng)式的時(shí)候，階數(shù)越高，曲線振蕩越明顯，越會(huì)偏離真實(shí)情況。格里維斯等人在這里使用的是12階多項(xiàng)式，結(jié)果可想而知。在重新進(jìn)行獨(dú)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(hào)低于具有統(tǒng)計(jì)學(xué)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(duì)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(jì)學(xué)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(méi)有磷化氫》（No phosphine in the atmosphere of Venus）。在這篇公布在預(yù)印本網(wǎng)站并提交給《自然·天文學(xué)》的文章中，他們認(rèn)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(hào)其實(shí)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(shí)候，研究團(tuán)隊(duì)就強(qiáng)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(shí)尚早。論文的共同作者、麻省理工學(xué)院博士后研究員克萊拉·索薩-席爾瓦（Clara Sousa-Silva）當(dāng)時(shí)表示，需要進(jìn)一步的研究來(lái)確認(rèn)此次公布的發(fā)現(xiàn)。他們和合作者原計(jì)劃使用由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和德國(guó)航空航天中心共同運(yùn)營(yíng)的同溫層紅外線天文臺(tái)（SOFIA）以及NASA位于夏威夷的紅外望遠(yuǎn)鏡設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步觀測(cè)，但是新冠肺炎疫情打亂了他們的計(jì)劃，使得后續(xù)觀測(cè)不得不被推遲。
與面對(duì)科學(xué)界的謹(jǐn)慎態(tài)度相比，格里維斯在面對(duì)公眾的時(shí)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(xué)WE大會(huì)” 并發(fā)表了主題演講。在視頻演講中，格里維斯有意強(qiáng)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?yàn)?“它是地球生命圈的標(biāo)志之一”，而在過(guò)去相對(duì)適宜的環(huán)境中，“金星可能孕育出生命”。[4]
現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展使得我們已經(jīng)不像近代科學(xué)誕生之際那樣可以“看到”研究對(duì)象，希格斯玻色子和引力波的發(fā)現(xiàn)都有賴于科學(xué)家對(duì)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(lái)的一些研究，比如2014年曾經(jīng)轟動(dòng)一時(shí)的原初引力波。2014年3月，美國(guó)BICEP2合作組宣布他們通過(guò)宇宙微波背景輻射的極化信號(hào)，首次探測(cè)到原初引力波。這個(gè)發(fā)現(xiàn)將有力地支持宇宙暴脹理論，深刻影響我們對(duì)宇宙起源和演化的理解。但是，此后的進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析以及來(lái)自普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)表明，BICEP2合作組嚴(yán)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(yán)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(dāng)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(tuán)隊(duì)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(xiàng)新研究能喚起重返金星的熱情。由于此前研究人員對(duì)研究金星興趣不如火星那么高，因此發(fā)射到金星的探測(cè)器相對(duì)較少，比如美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）上一個(gè)研究金星表面的麥哲倫號(hào)探測(cè)器已經(jīng)早在1994年就結(jié)束了任務(wù)。
日本的曙光號(hào)探測(cè)器于2015年進(jìn)入金星軌道，目前仍在在研究金星大氣和火山活動(dòng)。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(gè)金星探測(cè)計(jì)劃正在籌備中。如果科學(xué)家能夠發(fā)射探測(cè)器到達(dá)金星大氣并完成采樣返回，那就可以直接檢驗(yàn)磷化氫是否存在。NASA的下一代金星探測(cè)器VERITAS計(jì)劃在2026年發(fā)射升空，原計(jì)劃是探索金星的地形和地質(zhì)特征。[5] 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家、VERITAS首席研究員蘇·斯姆雷卡爾（Sue Smrekar）在接受《自然》采訪時(shí)表示：“借助VERITAS任務(wù)來(lái)探索金星的生命跡象是有可能的。在發(fā)射VERITAS的同時(shí)，還可以設(shè)計(jì)一個(gè)附加的小型探測(cè)器來(lái)研究金星的生命跡象?！?[6]
除了火星和金星，科學(xué)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(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)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(xué)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(yuǎn)鏡發(fā)射后，它憑借強(qiáng)大的觀測(cè)能力可以對(duì)這些系外行星進(jìn)行更加細(xì)致的觀測(cè)，特別是了解它們的大氣組成。這將幫助科學(xué)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(xué)家、美國(guó)加州大學(xué)圣克魯斯分校教授林潮（Douglas Lin）曾在接受《賽先生》采訪時(shí)表示，他對(duì)未來(lái)十幾年內(nèi)發(fā)現(xiàn)地外生命持樂(lè)觀態(tài)度。他強(qiáng)調(diào)，這里所謂的 “發(fā)現(xiàn)” 并非 “用望遠(yuǎn)鏡直接看到地外生命”，而是觀測(cè)系外行星大氣層的光譜特征，推測(cè)大氣中可能含有哪些氣體成分；如果探測(cè)到作為生命活動(dòng)產(chǎn)物的氣體，即 “生命標(biāo)志物”，比如早期地球上藍(lán)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(jī)制，就可以認(rèn)為發(fā)現(xiàn)了地外生命。
格里維斯等人對(duì)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(shuō)服力的結(jié)論之前，我們需要繼續(xù)加深對(duì)包括金星在內(nèi)的目標(biāo)行星的了解?！爸挥袛?shù)據(jù)能解決爭(zhēng)論”，德國(guó)航空航天中心科學(xué)家、VERITAS計(jì)劃成員赫爾伯特（J?rn Helbert）在接受《自然》采訪時(shí)表示：“我們對(duì)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]
