金星大气磷化氢研究存疑，但搜寻生命标志物仍值得期待
撰文 | 鞠 强
编辑 | 王一苇
在人类探索宇宙的过程中，寻找外星生命一直是最令人激动的目标之一。2020年9月，一项关于金星的研究引发外界对外星生命的联想。虽然后续的研究对这项研究的结论提出了强烈质疑，但类似的研究路径也许是我们寻找外星生命最可能的方向之一。
2020年9月14日，一个由卡迪夫大学、剑桥大学、曼彻斯特大学、麻省理工学院等机构的研究人员组成的研究团队在《自然·天文学》（nature astronomy）发表论文，宣布他们使用位于智利的阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波阵列（alma）望远镜和位于夏威夷的麦克斯韦望远镜（james clerk maxwell telescope, jcmt）在金星大气中发现了磷化氢（ph3）。他们在论文中提出，目前已知的各种非生命机制都不足以解释观测到的磷化氢，因此金星大气中可能存在能够产生磷化氢的生命机制。[1]
目前，研究人员在太阳系内搜索生命迹象时，主要瞄准火星和一些卫星，比如土卫二、土卫六、木卫二等。
金星的体积是地球体积的87%，质量是地球的82%，引力情况也和地球类似，堪称 “孪生兄弟”。同时，金星也位于太阳系的宜居带中，具备存在液态水的条件，被大气覆盖，因此有孕育生命的可能。但是，半个多世纪以来的研究表明，金星表面的条件极其恶劣，几乎不可能存在生命。
不过，也有研究人员认为，在金星的大气中有存在生命的可能性。金星表面压强大，温度高，但在高层大气中，存在温度和压力相对适宜的区域。半个多世纪以来，“云上生命” 的想法不曾间断。2017年，该论文的第一作者、卡迪夫大学教授简·格里维斯（jane greaves）和同事使用jcmt观测金星的大气，发现了磷化氢存在的迹象。2019年，这个研究团队使用精度更高的alma再次探测金星大气，又发现了磷化氢。他们根据观测计算出这些分子位于金星表面上方约51-60千米处，正是金星大气中温度和压力相对适宜的区域。同时，他们根据信号的强度计算出磷化氢的丰度大约为20ppb（ppb为十亿分之一的浓度），至少是地球大气中磷化氢丰度的1000倍以上。
磷化氢是厌氧微生物的代谢产物，而非生命过程也可以产生磷化氢。但是，根据这个研究团队的计算，任何非生命过程都无法产生他们观测到的磷化氢丰度。这样一来，摆在他们面前就还有两个选项：一是金星上某种未知的地质过程或者光化学反应可以产生磷化氢；二是金星上存在某种可以产生磷化氢的生命活动。
这篇论文因为 “外星生命” 的话题性而受到广泛关注。国内外一些媒体使用诸如“科学家在金星发现外星生命”等标题显然是夸大其词，是不负责任的报道和解读，但很快论文本身也遭到了一些同行的质疑。例如，莱顿大学的斯奈伦（i.a.g. snellen）等5位来自荷兰研究机构的天文学家就在预印本网站上发表了一篇文章，提出格里维斯的研究团队对alma观测数据的处理方式存在问题。[2]
研究人员对天体大气进行研究时，可以通过分析天体大气的光谱来确认某些特定物质的存在。比如在磷化氢这项研究中，因为磷化氢会吸收频率为267ghz的电磁波，所以当研究人员在jcmt和alma获得的信号中发现在267ghz的频率上有凹陷时，就推测金星上存在吸收这个频率的磷化氢。
但是，斯奈伦等人指出，在处理alma的数据时，为了去除噪声对电磁波的影响，格里维斯的团队使用了12阶多项式对噪声的实验曲线进行拟合。一般来说，使用多项式对观测数据进行拟合是处理数据的常见方法，但是使用高阶多项式的时候，阶数越高，曲线振荡越明显，越会偏离真实情况。格里维斯等人在这里使用的是12阶多项式，结果可想而知。在重新进行独立的数据分析后，斯奈伦等人得到的结果是，磷化氢的信号低于具有统计学意义的通常阈值。因此他们得出结论，格里维斯等人的研究对alma的267ghz数据的分析得不出金星大气中存在磷化氢的统计学证据。
与斯奈伦等人的这篇论文相比，另一组研究人员随后发表的文章结论则更加肯定：《金星大气中没有磷化氢》（no phosphine in the atmosphere of venus）。在这篇公布在预印本网站并提交给《自然·天文学》的文章中，他们认为由于磷化氢的吸收频率（266.944513 ghz）和二氧化硫的吸收频率（266.943329 ghz）非常接近，因此不排除发现的信号其实是二氧化硫。[3]
在这篇有关金星大气磷化氢的论文发布的时候，研究团队就强调，这篇论文只是提出了两种可能性，断言在地球以外发现生命还为时尚早。论文的共同作者、麻省理工学院博士后研究员克莱拉·索萨-席尔瓦（clara sousa-silva）当时表示，需要进一步的研究来确认此次公布的发现。他们和合作者原计划使用由美国国家航空航天局（nasa）和德国航空航天中心共同运营的同温层红外线天文台（sofia）以及nasa位于夏威夷的红外望远镜设备进行进一步观测，但是新冠肺炎疫情打乱了他们的计划，使得后续观测不得不被推迟。
与面对科学界的谨慎态度相比，格里维斯在面对公众的时候则比较 “直接”。在研究成果受到质疑之际，2020年11月7日，格里维斯受邀参加了 “2020腾讯科学we大会” 并发表了主题演讲。在视频演讲中，格里维斯有意强调了磷化氢与生命的潜在联系，她表示搜寻磷化氢的原因就是因为 “它是地球生命圈的标志之一”，而在过去相对适宜的环境中，“金星可能孕育出生命”。[4]
现代科学的发展使得我们已经不像近代科学诞生之际那样可以“看到”研究对象，希格斯玻色子和引力波的发现都有赖于科学家对数据的分析和解读。金星大气磷化氢研究的现状令人联想到近年来的一些研究，比如2014年曾经轰动一时的原初引力波。2014年3月，美国bicep2合作组宣布他们通过宇宙微波背景辐射的极化信号，首次探测到原初引力波。这个发现将有力地支持宇宙暴胀理论，深刻影响我们对宇宙起源和演化的理解。但是，此后的进一步数据分析以及来自普朗克卫星的数据表明，bicep2合作组严重低估了星系尘埃的影响，他们的数据分析和判断都出现了严重失误，最后也不得不收回发现原初引力波的结论。
当然，与原初引力波不同，目前关于金星磷化氢的研究仍未尘埃落定。我们继续关注后续发展，看看格里维斯的研究团队如何作出回应，以及是否有支持其中任何一方的新证据出现。
格里维斯表示，她希望这项新研究能唤起重返金星的热情。由于此前研究人员对研究金星兴趣不如火星那么高，因此发射到金星的探测器相对较少，比如美国国家航空航天局（nasa）上一个研究金星表面的麦哲伦号探测器已经早在1994年就结束了任务。
日本的曙光号探测器于2015年进入金星轨道，目前仍在在研究金星大气和火山活动。虽然它缺少直接发现磷化氢的设备，但是收集的数据可以帮助我们更好地了解金星大气的情况。
除此之外，几个金星探测计划正在筹备中。如果科学家能够发射探测器到达金星大气并完成采样返回，那就可以直接检验磷化氢是否存在。nasa的下一代金星探测器veritas计划在2026年发射升空，原计划是探索金星的地形和地质特征。[5] 喷气推进实验室科学家、veritas首席研究员苏·斯姆雷卡尔（sue smrekar）在接受《自然》采访时表示：“借助veritas任务来探索金星的生命迹象是有可能的。在发射veritas的同时，还可以设计一个附加的小型探测器来研究金星的生命迹象。” [6]
除了火星和金星，科学家也把寻找外星生命的目光投到更多的系外行星上。得益于已经退役的开普勒太空望远镜和于2018年4月发射升空的凌日系外行星巡天卫星 “苔丝”（tess），科学家已经发现了数千颗系外行星。詹姆斯韦伯太空望远镜发射后，它凭借强大的观测能力可以对这些系外行星进行更加细致的观测，特别是了解它们的大气组成。这将帮助科学家了解这些系外行星是否存在生命以及是否适宜生命生存等。
行星科学家、美国加州大学圣克鲁斯分校教授林潮（douglas lin）曾在接受《赛先生》采访时表示，他对未来十几年内发现地外生命持乐观态度。他强调，这里所谓的 “发现” 并非 “用望远镜直接看到地外生命”，而是观测系外行星大气层的光谱特征，推测大气中可能含有哪些气体成分；如果探测到作为生命活动产物的气体，即 “生命标志物”，比如早期地球上蓝藻产生的氧气，又完全排除其他可能产生这种气体的机制，就可以认为发现了地外生命。
格里维斯等人对金星大气磷化氢的研究正体现出这样一种研究思路。在得出有说服力的结论之前，我们需要继续加深对包括金星在内的目标行星的了解。“只有数据能解决争论”，德国航空航天中心科学家、veritas计划成员赫尔伯特（jörn helbert）在接受《自然》采访时表示：“我们对金星需要获得像火星哪怕是水星那样的基础数据才可以。” [6]
