金星大氣中發現了不該存在的物質

2020-09-17分类:科學

在金星高層大氣中發現磷化氫分子的藝術想象圖。(ESO / M. Kornmesser / L. Calçada & NASA / JPL / Caltech/圖)

金星曾被視為地球的“孿生兄弟”,也曾因惡劣的表面條件而被認為不具備存在生命的可能性。但隨著對金星的瞭解不斷加深,科學家逐漸發現金星大氣中也許存在生命的“避風港”。在一項最新研究中,研究人員就指出在金星大氣中可能存在生命的跡象。

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》(NatureAstronomy)發表論文,宣佈他們使用位於智利的阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米陣列(ALMA)和位於夏威夷的麥克斯韋望遠鏡(JamesClerkMaxwellTelescope)在金星大氣中發現了磷化氫(PH3)。他們在論文中提出,目前已知的各種機制都不足以解釋觀測到的磷化氫,因此推測金星大氣中可能存在能夠產生磷化氫的初等生命。

磷化氫是一種難聞、有劇毒的可燃氣體,對人類和地球上的絕大多數生命來說,磷化氫就是殺手。在第一次世界大戰期間,磷化氫就曾作為化學武器使用。但是,磷化氫同時卻是一些生活在垃圾堆、沼澤或者動物腸道中的厭氧微生物的代謝產物。

在這項研究中,研究人員把磷化氫作為生命存在的跡象。他們認為,磷化氫本不應該在金星大氣中存在,或者本不應該被探測到。首先,磷化氫極難產生。其次,磷化氫很不穩定,金星大氣中的環境會在磷化氫積累到足以被探測到的量之前就將它們破壞。因此,此次科學家探測到金星大氣中的磷化氫,不僅可以推斷金星大氣中存在可以產生磷化氫的生命活動,而且可以進一步推斷這種活動目前仍持續、穩定地存在,才能夠產生大量的磷化氫並達到科學家觀測到的丰度。這種“生命活動”既有可能與地球上的厭氧微生物合成磷化氫的過程類似,也可能是一種完全未知的生命機制。

目前,科學家在太陽系中搜尋生命存在的跡象時,主要瞄準火星和一些衛星,比如土衛二、土衛六、木衛二等。事實上,與火星相比,金星與地球看起來更為相似,在很長時間裡都被認為是地球的“孿生兄弟”。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。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,科學家同時認為,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。金星大氣中富含二氧化碳,充滿硫酸雲,強酸性的環境不是生命存在的理想條件。但是,隨著對地球生態系統的認識不斷拓展,科學家發現在地球上如熱泉或者火山的極端環境中也存在生命,因此不排除在金星大氣中存在生命的可能性。著名天文學家卡爾·薩根(CarlSagan)就曾於1967年在《自然》(Nature)發表文章,探討金星雲層中存在生命的可能性。

半個多世紀以來,“雲上生命”的想法不曾間斷。2017年,這篇論文的第一作者、卡迪夫大學的簡·格里維斯(JaneGreaves)和同事使用麥克斯韋望遠鏡觀測金星的大氣,從中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阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米陣列再次探測金星大氣,又發現了磷化氫。他們根據觀測計算出這些分子位於金星地表上方約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,他們根據訊號的強度計算出磷化氫的丰度大約為20ppb,至少是地球大氣中磷化氫丰度的1000倍以上。

事實上,非生命過程也可以產生磷化氫。例如,科學家此前就發現,在外太陽系中,木星和土星的內部可以合成磷化氫。在這些巨行星的中心附近,溫度和壓力高到足以製造出磷化氫分子,隨後磷化氫會上升並進入大氣。但是,在金星這樣的巖質行星上,溫度和壓力條件不如巨行星那樣極端。研究人員經過模擬後認為,金星上不可能以和巨行星相同的機制產生磷化氫。

在與生命活動關聯之前,研究團隊希望瞭解金星上的非生命過程能否產生觀測到的磷化氫。他們考慮了所有能想到的可能性,包括金星火山釋放的氣體、密集的閃電、板塊運動以及宇宙塵埃等選項。然而,根據他們的計算,以上任何過程都無法產生他們觀測到的磷化氫丰度。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。

不過,研究團隊也指出,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。有科學家認為,論文中的磷化氫訊號也可能是由望遠鏡觀測或者資料處理導致的誤差。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(ClaraSousa-Silva)也認為,需要進一步的研究來確認此次公佈的發現。他們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裝置進行進一步觀測,但是新型冠狀病毒肺炎疫情打亂了他們的計劃。

日本拂曉號金星探測器拍攝到的金星大氣的偽彩色影象。(JAXA/圖)

目前,在人類尋找地外生命的研究中,尋找作為“生命跡象”的氣體成分——比如氧氣或者甲烷——是一個重要的方向。行星科學家、美國加州大學聖克魯斯分校教授林潮(DouglasLin)就曾在接受採訪時表示,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,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。研究人員此次對金星大氣中磷化氫的研究正是在這條道路上邁出的重要一步。

格里維斯表示,她希望這項研究能喚起重返金星的熱情。如果科學家能夠發射探測器到達金星大氣並完成取樣返回,那就可以直接檢驗磷化氫是否存在。令人期待的是,目前幾個金星探測計劃已經在籌備中,包括入選NASA“發現”(Discovery)專案決選名單的“達芬奇+”(DAVINCI+)金星探測器。隨著這些計劃中的探測器在未來飛向金星,我們對金星的物理、化學條件將會有更加深入的瞭解,金星是否存在生命這個問題也許在不久後就會有一個明確的答案。

南方週末特約撰稿 鞠強

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