金星大气中到底有没有生命？

去年，在行星科学当中最引起广泛关注的事件莫过于在金星大气层中探测到磷化氢气体，当时给出了一个十分诱人的暗示——没有已知的非生物过程能够解释。金星上果真有生物吗？

2020年9月份发表在《自然天文学》（Nature Astronomy）杂志上的初步探测宣称，在金星浓密的云层中漂浮着磷化氢气体，浓度是地球大气中的1000倍。磷化氢（PH3）的化学性质与氨（NH3）相似，只不过磷代替了氮。研究认为，在像金星和地球这样的岩石星球上，虽然来自太阳辐射的光化学过程，来自大气热力效应的化学过程，以及来自地球表面化学过程都有可能产生磷化氢，但是都不足以产生如此水平的磷化氢。换句话说，要解释金星大气层中大量的磷化氢气体，要么需要某种新陈代谢机制，要么需要一种未知的化学过程。在地球上，各种微生物能够制造磷化氢。

首先，2017年，卡迪夫大学（Cardiff University）的简·格里夫斯（Jane Greaves）和同事们用位于夏威夷的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦射电望远镜（JCMT）发现了可能含磷的物质，但这一观测结果需要确认。2019年，该团队使用了更强大的仪器——阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA），这是一个位于智利高原沙漠的由66个无线电天线组成的阵列。在ALMA的数据中，研究小组发现了一个极其微弱的信号，它所对应的频率与金星大气中的磷化氢分子所吸收的能量吻合，也就是磷化氢分子的光谱吸收线。该信号在金星中纬度地区海拔约4万至6万米的地方最为强烈。磷化氢在地球上是自然存在的，在厌氧环境下的细菌会产生磷化氢。我们也可以通过可控的化学反应人工制造，但显然金星上不会有这种情况。在地球以外，木星和土星等气态巨行星的无氧环境中存在某些机制可以产生磷化氢。不过，虽然金星的大气层是无氧环境，但是金星并不具备木星、土星那样的大气条件去触发这种机制。于是研究小组指出，如果金星上确实存在大量的磷化氢，那么就目前掌握的非生物机制很难解释它们的存在。难道在金星高层大气中存在微生物吗？

JCMT射电望远镜和ALMA射电望远镜阵列中的磷化氢信号（来源：Jane S. Greaves et al. 2020）

绝大部分科学家保持着理智和严谨的头脑。有人翻出了1978年“先驱者”13号的数据，当时它向金星投放过一个探测器，测量过金星大气中不同高度的中性气体质量，对高度50000-60000米范围内的气体显得非常敏感，恰好是这次研究的区域。历史资料中确实存在磷化氢的信号，但是当时的探测器并不是为检测磷化氢的，磷化氢与硫化氢（H2S）的信号掺杂在一起，并不容易区分。没确定也没否定。还有人认为，就算金星上有磷，也并不意味着一定是磷化氢，因为还有一种“异形磷化氢”，即PH2D，也就是磷化氢中的一个氢原子被氘原子（氢的同位素，原子核中含有1个质子和1个中子）替代了。

“先驱者”13号（来源：NASA）

有些科学家对研究成果和研究方法提出强烈质疑，例如ALMA的科学家约翰·卡彭特（John Carpenter）就是其中一员。他表示ALMA的观测精度超乎寻常，既然连ALMA也没看清楚，那么最有可能的情况是，磷化氢的含量确实不高。他认为格里夫斯研究团组分析数据的方式存在缺陷，可能产生了假信号。原团队居然使用了令人瞠目结舌的十二阶方程来拟合光谱数据！要知道很多人在研究中，使用到四阶方程后基本上已经不敢再做下去了。

面对质疑，比格里夫斯的研究小组进行了再次观测与研究。他们表示，在进行了第二次光谱分析后发现，第一次的数据确实存在一定的操作上的失误，导致结果“有失偏颇”。不过，他们依然表示，第二次观测结果仍然表明金星大气存在磷化氢气体，只不过平均含量少了不少，是第一次推算值的1/7左右，同时他们也承认，对金星大气磷化氢的分析属于试探性的。

位于智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（来源：ALMA）

来自荷兰莱登大学的斯内伦（I.A.G. Snellen）等人于2020年11月17日在《天文学与天体物理学》（Astronomy & Astrophysics）上发表文章指出，使用原团队的数据重新进行了分析，在处理噪音的同时避免数据失真，最后发现无法得到令人信服的磷化氢存在的结论。原团队的高阶拟合不小心把噪音也卷入其中，相当于增强了信号。

2020年12月24日，比利时皇家空间和高层大气物理研究所（Royal Belgian Institute for Space Aeronomy）的研究员特罗佩（L. Trompet）等人在通过《天文学与天体物理学》发表论文，宣称未在金星高层大气中发现显著磷化氢气体。他们所使用的设备是欧洲航天局的金星探测器“金星快车”上的红外光谱仪。这台光谱仪名叫掩日红外光谱仪（SOIR，Solar Occultation at Infrared），利用金星遮掩太阳的机会，观测太阳的光谱，当阳光经过金星大气时会被大气中的分子吸收掉一部分能量，在光谱上留下特殊的暗线，从而推测金星大气的成分。在2006年6月至2014年12月期间，“金星快车”共观测了超过750次金星中高层大气掩日的现象。他们得出的结论是，在金星约69千米高度的大气中，磷化氢气体分子数量的上限为0.2ppb（每10亿个大气分子中有0.2个），比格里夫斯团组所宣称的20ppb低大约100倍。

“金星快车”探测器（来源：ESA）

经过数月的讨论，看来曾经登上热搜的重大发现很可能是个“重大失误”，金星上高浓度磷化氢的存在性被打上一个大大的问号，至于金星大气中“可能存在某种生物机制”的猜测也基本被推翻。不过，科学就是这样，有激情，有惊喜，也有理性，有冷静。脚步从未停歇，探究仍将继续……

形如地狱的金星上是否真的存在美丽的天堂？（来源：Elena Lacey/GETTY IMAGES/NASA）

参考资料：

[1] Greaves, J.S. et al. Phosphine gas in the cloud decks of Venus. Nat Astron (2020).

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

[2] Snellen,I.A.G. et al. Re-analysis of the 267-GHz ALMA observations of Venus: No statistically significant detection of phosphine
(https://doi.org/10.1051/0004-6361/202039717)

[3] Trompet, L. et al. Phosphine in Venus’ atmosphere: Detection attempts and upper limits above the cloud top assessed from the SOIR/VEx spectra

(https://doi.org/10.1051/0004-6361/202039932)

[4] Rafi Letzter. Did NASA detect a hint of life on Venus in 1978 and not realize it?

(https://www.msn.com/en-us/news/technology/did-nasa-detect-a-hint-of-life-on-venus-in-1978-and-not-realize-it/ar-BB19KEBo)

[5] Ethan Siegel. Venus Is Dead! New Analysis Shows Phosphine, A Possible Biosignature, Is Absent

(https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2020/10/22/venus-is-dead-new-analysis-shows-phosphine-a-possible-biosignature-is-absent/)

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