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金星上可能存在生命

时间: 2020年09月15日 | 作者: 吴非 | 来源: fun88手机版(www.22vfpn.com)
研究团队从金星大气中发现了生物标记——磷化氢,他们认为,也许存在某种我们从未了解过的化学反应,或是金星大气层中的生命造就了这些气体。


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金星与磷化氢分子(图片来源:ESO/M. Kornmesser/L. Calçada & NASA/JPL-Caltech)


金星上存在生命?这个如同天方夜谭的想法,却在一项发表于《-天文学》的研究中被严肃讨论了。研究团队在两次天文观测中,都从金星大气中发现了生物标记——磷化氢。研究者认为,目前有两种可能的解释:存在某种我们从未了解过的化学反应,或是金星大气层中的生命造就了这些气体。


撰文 | 吴非


从月球、火星再到系外行星,人类对于地外生命的幻想与探索,正向着无尽的宇宙深处延伸。但对于比我们更靠近太阳的近邻——金星,人类始终未曾抱有太大的幻想。毕竟,绝大多数生命需要在适宜的温度下才能生存,因此我们往往将搜索的目标设定为宜居带;而金星在太阳的炙烤下,表面温度可以达到500℃,并且极度干燥,浓厚的大气层除了二氧化碳,还含有相当多的硫酸云。无论从哪个角度看,金星都像是一个炼狱,而不是生命的家园。


不过,在金星的大气层中,也隐藏着一片环境相对温和的狭小区域——在距离金星表面大约50~60千米高的大气中,压力条件与地球表面相似,温度也在0~50℃之间。尽管仍有强酸性的硫酸云,但在地球上,人们已经找到了能忍耐此般生存环境的微生物。因此,一个合理的猜想是:如果金星上的确存在生命,那么它只可能生活在这层特殊的大气中。



生物标记


如何为金星生命的猜想找到依据?在探测器深入金星大气层之前,直接捕捉到生命的影像甚至是本尊,显然不切实际。因此,研究人员可以使用的武器就成了生物标记(biosignature)。这类分子可以由生物体的代谢等活动产生,并且非生命过程都无法制备。此前的研究指出,在岩质行星中,这个故事的主角——磷化氢(PH3)就属于一种生物标记。


磷化氢是一种散发着大蒜和腐鱼气味的有毒气体。当然,你应该没有机会闻过它的味道——如果你闻见了,这时你的肺部等器官大概率已经受到损害了。在地球上,磷化氢存在于大气中,但含量极低。它的两种来源——无论是作为厌氧生物代谢活动的副产物,还是人类的工业生产,都与生物相关。如果地球上不存在生命,无论是普通的地质过程,还是大气反应,都不足以产生磷化氢。


不过,对于巨大的气态行星,情况却不太一样。木星和土星内部极高的温度,正是适合生产磷化氢的条件。因而在此之前,家在木星和土星中已经检测到磷化氢,却没有感到意外。


而金星正是一颗岩质行星。根据计算,其内部不存在木星与土星那样的磷化氢来源。而且磷倾向于与氧结合,在主要为二氧化碳的金星大气中,磷通常会与其反应,而不是形成还原态的磷化氢。然而,《-天文学》的一项最新研究报道了意料之外的发现:在金星的大气层中,出现了“浓度异常高”的磷化氢。



两次观测


领导这项研究的,是英国卡迪夫大学的射电天文学家Jane Greaves。2017年,她带领团队利用夏威夷的麦克斯韦望远镜(JCMT),对金星大气层进行了5天的观测。事实上,Greaves并没有太过在意这次行动,她作出这个决定也只是因为金星的观测很方便,甚至在观测完成后,数据一度被搁置一年多,才被她重新想起来。但当Greaves重新拾起数据进行处理时,却看到了令她眼前一亮的光谱信号。


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JCMT望远镜(图片来源:Will Montgomerie/EAO/JCMT)


不同的分子会吸收光谱中各不相同的特定部分,因此每个分子都有一套光谱“指纹”——通过观察光谱吸收线,就能查明有哪些分子存在。在这些数据中,Greaves找到了磷化氢的信号。


这时,Greaves尚不敢立即写论文宣布这一结果。对于如此颠覆性的结论,她希望用更多的观测进行验证。于是,她找到了专门研究磷化氢的麻省理工学院分子天体物理学家Clara Sousa-Silva等人组成团队,并在2019年使用更强大的阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜(ALMA)做了重复观测。


结果,ALMA的观测不仅证实了此前的结果,还发现了关于磷化氢的更多细节,例如磷化氢在金星的中纬度地区浓度更高,这可能与金星的大气环流有关。结合两台望远镜的光谱数据,研究团队算出,金星大气层中磷化氢的浓度为20 ppb(即10亿个分子中,有20个磷化氢分子)。虽然数值看似不值一提,但对于这样一种极为罕见的气体,这个浓度已经是地球大气层中磷化氢浓度的1000~100万倍。


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图中黄色和红色折线,分别为2017和2019年观测得到的光谱信号



来自生命?


问题很明显了——这些磷化氢是怎么来的?在现阶段,家没有办法直接证实是生命活动产生了这些气体。因此研究团队能做的,就是找到所有可以分析的可能性,然后逐一验证。为此,他们考虑了火山活动、闪电甚至是陨石撞击等非生命过程,根据模型,这些过程有可能生成少量磷化氢,但与观测到的浓度相比,都至少差了4个数量级。


当所有错误的选项被排除,剩下的即使看似不可能,但也更接近真相。在这个问题上,排除掉上述过程后,作者认为,还存在两种可能性:其一,尽管已经尽量考虑了所有可能的非生物过程,但在金星上,还存在某种此前未曾知晓的地球化学或光化学过程;而另一种可能性,就是金星上有生命活动。


研究推测,如果金星上的生命活动相当于地球微生物活动的10%,那么20 ppb的磷化氢浓度是有可能达到的。


我们可以想象这样一幅金星生物画卷。NASA此前的模拟研究提出,金星早期的气候十分温和,这里甚至存在广阔的液态水海洋。这样的温润环境,可能孕育出某些简单的金星生命。而另一项研究认为,是大规模的火山喷发让金星演变为今天这样的生命禁地。随着金星环境的恶化,金星生命的栖息地不断缩退,最终只有在大气层的宜居区域中生存。


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图片来源:ESO/M. Kornmesser & NASA/JPL/Caltech


当然,这样的场景还存在一些有待解决的问题。如果以地球上的微生物作类比,它们虽然也可以出现在大气层中,但毕竟不能在大气层中完成整个生命周期,还需要降落回地表;但金星表面太过于炎热,实在是无法生存。因此金星生命可能有着与地球生命不同的形式,只是我们还不曾了解。



看到这里,相信你也意识到:仅凭现有的证据,要证实(或证伪)金星生命还为时过早。而且,磷化氢是否如研究者认为的那样,可以成为指向生命活动的标记,也有待更多研究论证。该论文的多位作者也表示,这项研究只是提出了两种可能性。而要进一步限制磷化氢的来源,对金星的深入探索不可或缺。


Greaves表示,她希望这项研究能够唤起界对于金星探索的关注。目前,已经有几个正在筹备的金星探测计划。例如,俄罗斯的Venera-D任务(包括一个轨道器和一个着陆器)计划最早将在2026年飞向金星,欧洲航天局的远景号(EnVision)金星探测器也计划在本世纪30年代抵达金星。而NASA也正在考虑金星探测计划的细节,其计划有望穿越金星大气层,从而获取第一手的数据。在那时,关于金星的物理、化学乃至生物,我们将获得全新的认识。


原始论文:

Phosphine gas in the cloud decks of Venus

https://doi.org/10.1038/s41550-020-1174-4

参考链接:

https://news.mit.edu/2020/life-venus-phosphine-0914

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

https://www.space.com/venus-clouds-possible-life-chemical-discovery.html