克莱尔·桑索姆(Clare Sansom)发现,金星上可能存在的磷化氢只是我们行星邻居奇怪化学反应的最新进展

大约45亿年前,三颗类似的小型岩石行星在太阳周围形成。然而,如果当时有任何星际访客在观察太阳系,他们不可能猜到它们截然不同的命运。虽然我们的星球为复杂的生物进化创造了理想的条件,但火星和金星都无法保持生命的两个最重要的先决条件:大气中的氧气或液态水。事实上,科学家们对金星的过去存在分歧;一些人认为它可能曾经有海洋,也许曾经适合居住,而另一些人认为它的水不可能凝结。

数千年来,我们的两个行星邻居都让天文学家着迷。人们的注意力通常集中在这两个星球上是否存在生命,在遥远的过去是否存在,以及在遥远的未来是否会进化。根据我们对行星大气层的了解,基本上排除了类似HG Wells或其他科幻作家笔下的火星人或金星人的可能性,但地球上几乎无处不在的细菌,甚至在那里也可能找到。

凝视着金星冰冷的光线和几个世纪以来回荡的“爱的星球”的形象,诗人永远不会想象金星表面环境的异常敌意。这些世界末日般的条件,温度超过450°C,大气压力超过地球上的90倍,异常的酸性,没有液态水,比立即油炸地球上最顽强的极端微生物所需要的条件要严酷许多倍。

然而,在离地表数英里的地方,我们遇到了太阳系外最有利的条件之一。金星的低层大气又厚又热,主要由热化学物质组成;它的上层大气很冷,主要由光化学物质组成,很像地球的上层大气;但在距离地表约50公里的高度,两者之间的云雾层更有趣。它是温和的(~20°C)和酸性,接近我们的大气压。在这个高度,人类宇航员既不需要压力控制的太空服,也不需要热控制的太空服:在气球运载的航天器外进行短暂的短途旅行,只需要一个氧气面罩,也许还需要一层薄层,以避免硫酸沉积。因此,当科学家(而不是科幻作家)谈论“金星上的生命”时,他们实际上指的是“金星周围的生命”:具有代谢途径的细菌形式可以利用缺氧、高酸性条件,可能已经进化到漂浮在那种大气中。

进入磷化氢

这张图片展示了金星大气层的结构

来源:©科学图片库

并非所有的金星大气层都是完全不适合居住的——在地表上方约50公里处,温度约为20°C,接近地球上的压力

探测另一颗行星周围的微观生命似乎是一项几乎不可能完成的任务。然而,利用光谱学可以很容易地从地球上分析行星大气,任何在行星大气中观察到的气体,但在那里发现的条件下,没有明确的化学、非生物途径来合成,都可以被认为是可能存在生命体的“生物标志物”。但苏格兰爱丁堡赫瑞瓦特大学的Martin McCoustra解释说,并不是每一种潜在的生物标记气体都能被观测到。“地球大气中的氧气有生物起源,所以我们可能会认为在另一颗行星的大气中观察到氧气可能是生命的迹象。”然而,很难用光谱学来观察;臭氧(O3.)更容易,但存在产生分子臭氧的非生物机制,因此它不是理想的生物标志物。“事实上,在金星的大气中,也没有观察到任何大量的氧气和臭氧。但还有其他气体更符合生物标志物的规范,包括磷化氢(PH值)3.).一个自然天文学2020年9月发表的一篇论文指出,在金星的云层中发现了这种气体,这引起了天体化学和天体生物学领域之外的兴奋和争议。

在金星氧化的大气中,没有已知的非生物途径来合成磷化氢

磷化氢是一种令人不快的气体,没有人会自动把它与生命联系起来。它有毒、易燃、易爆,气味让人联想到腐烂的鱼。它只能在还原性大气中自发合成,比如木星和土星周围的大气;无论在地球上发现它,它都与人类的工业过程或细菌有关。该论文的第一作者、威尔士卡迪夫大学的简·格里夫斯解释说:“在金星的氧化大气中,没有已知的非生物途径来合成磷化氢。”“此外,我们对一个磷化氢吸收波长的精确了解不到十分之一7,所以我们可以很容易地区分磷化氢和其他物质;这两个特征结合在一起betway必威游戏下载大全,使这种气体成为研究金星的理想生物标志物。”

这些实验引发了争议自然天文学论文开始于2017年,当时格里夫斯和她的团队在美国夏威夷的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦射电望远镜上获得了时间。这是世界上最大的单碟望远镜,旨在观测电磁波谱的毫米和亚毫米部分,其中磷化氢的吸光度线在1.123毫米处。从那时起,该小组的大部分时间都花在了复杂的数据分析上。格里夫斯解释说:“金星发射了大量的无线电信号,这些信号会被地面或望远镜的穹顶反射,所以你最终会在不同的时间观察到相同的信号,这可以被解释为不同的信号。”“当数据中最终出现一个具有统计学意义的波长信号时,我们当然很高兴。”“在智利使用阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(Alma)进行的类似实验也表明,在相同的精确波长上存在一条线。

这个非凡的论断需要非凡的证据

然而,格里夫斯的分析仍然存在争议。她决定将所有数据发布到公共领域进行进一步分析,这一决定已经引发了辩论双方的论文。英国赫特福德大学(University of Hertfordshire)的分子光谱学家马克·汤普森(Mark Thompson)是第一批公开质疑磷化氢结果的人之一。他说:“在金星氧化的大气中发现磷化氢这样的还原分子至少是不寻常的……这种不寻常的说法需要不寻常的证据。”他指出,在他看来,格里夫斯公布的数据不符合这些“不寻常”的标准。他引用了伟大的数学家约翰·冯·诺伊曼(John von Neumann)的话来说明通过复杂的曲线拟合来解释数据的陷阱:“有四个参数,我可以拟合一头大象,有五个参数,我可以让它摆动鼻子。”

这些数据难以分析的众多原因之一是低信噪比;金星的背景辐射非常明亮,以至于单个光谱线都被淹没了,就像你用探照灯的非常敏感的光谱一样。格里夫斯补充说:“我们需要阿尔玛望远镜记录到的一些最好的天气来记录更多的磷化氢线。”位于高海拔的阿塔卡马沙漠高原阿尔玛的干燥、清澈的小气候已经比地球上几乎任何其他地方都更适合射电天文学。

成堆的文件,很多还在预印本,看磷化氢的数据,有的已经无法看到光谱线用不同的分析,而别人归因于二氧化硫.很明显,我们需要更多更好的数据。但是从哪里来?

发送宇宙飞船

射电光谱学并不是探测金星大气层化学成分的唯一技术。从环绕这颗行星的宇宙飞船上可以了解到很多信息,而且可以从其极热的表面和从大气层下降的探测器上获得测量数据。苏联在20世纪60年代和70年代的金星任务是第一个绕金星轨道运行,然后降落在任何其他行星上,并返回照片和数据。不久之后,美国国家航空航天局(Nasa)开始了“先驱者”(Pioneer)任务,但人们普遍认为,苏联在冷战期间赢得了金星的竞赛,就像美国凭借“水手”(Mariner)任务赢得了火星(和月球)的竞赛一样。

许多系外行星可能更像金星而不是地球

一些金星任务一直持续到20世纪80年代,但冷战的结束恰逢一个漫长的空白期的开始:1990年到2004年之间唯一发射到金星的航天器都是飞行,比如1998年和1999年美国卡西尼号探测器前往土星的途中。英国牛津大学的科林·威尔逊(Colin Wilson)说:“在20世纪90年代和21世纪初,人们把火星视为更‘明显’的人类探索目标。”威尔逊正在努力开发欧洲航天局提出的金星探测计划。“我们对金星的兴趣又增加了,因为我们越来越意识到温室效应是气候变化的驱动因素,也因为我们对系外行星的兴趣越来越大,其中许多行星可能更像金星而不是像地球。”

金星表面恶劣的环境给科学仪器的设计者们带来了独特的挑战。在这种温度下,焊料会熔化,所有传统的电子设备都会失效。威尔逊说:“像1982年金星14号这样的短时间登陆器是被动冷却的,在设备故障之前,它们有大约一个小时的时间在金星表面收集数据。”“对于更长时间的着陆器,基本上有两种选择。热泵可以用来冷却电子设备,但这是复杂的和能源密集型的。另外,碳化硅电子设备可以在金星表面温度下工作,但这仍然相当原始。“电力来源也有问题:稠密的云层和高温使太阳能电池无法使用,而可用的电池容量有限。”然而,并不是所有的实验都需要着陆器;其他的则由轨道飞行器释放的气球携带进入云层。它们可以乘着金星的强风在短短五天内环绕金星一周,它们携带的设备只需要忍受在这个高度发现的良性、更像地球的条件。

这些登陆艇发回地球的数据已经为金星表面的化学成分提供了一些重要的见解。这是一颗活跃的行星,有像地球上一样的火山结构,但更大,并且有目前火山活动的迹象。对这些火山岩石元素组成的测量表明,它们与普通的陆地玄武岩相似。

目前在金星上运行的航天器只有一艘——日本的赤月轨道飞行器,它的气象导向仪器几乎没有探测微量气体的能力——在赤月之后,太空机构没有选择更多的航天器前往金星。然而,许多拟议的任务正在争夺这些机构的资金。一些探测器将缓慢地穿过金星大气层,在下降过程中对其成分进行敏感测量。它们可以研究从硫化学到卤素化学的大量化学过程,以及寻找磷化氢。他们还可以测量稀有气体的丰度和同位素比率。它们是如此惰性,以至于它们的丰度与行星形成时或从地幔中排出气体时没有变化,所以测量它们可以告诉我们更多关于金星早期演化的信息。

其他正在开发的任务将通过研究金星的地质记录来解开金星的历史,使用雷达详细绘制金星表面的地图。“远景”轨道飞行器计划于2032年向欧洲航天局发射,它还将寻找活跃化学物质的踪迹,包括卤素、水蒸气和重水,这些都是火山活动的迹象。所有这些测量结果更有可能表明数十亿年前金星上是否存在某种形式的生命,甚至是繁荣的生命,而不是进一步阐明细菌现在存在于云层中的假设。

我们怎么办?

如何解决磷化氢的争议,一种或另一种方式,最好是在未来十年内?如果有一件事是确定的,那就是我们需要更多的数据。地球上的射电天文学还没有达到它的极限,它肯定有可能寻找更多的磷化氢吸光度——尽管其中许多都低于1毫米,在地球大气不透明的部分射电频谱中。格里夫斯解释说:“你可以通过向太空发射望远镜来避开不透明的大气层,但这在技术上具有挑战性,而且非常昂贵。”汤普森说:“磷化氢在红外线中有一个吸收光谱,这可能是可行的。”“但至少到目前为止,这些谱线还没有被探测到。”

金星展示了极端的温室效应

如果我们确实在金星周围或太阳系的其他地方发现了生命的证据,这可能有助于我们了解生命在地球上的起源。早期的火星或金星可能以这样一种方式发展,允许复杂的生命进化,但相反,一个完全失去了它的大气层,另一个形成了厚厚的有毒的大气层。在这两个相邻的行星上,液态水的数量都不足以维持我们所知的生物存在。麦库斯特拉说:“地球是一个特殊的例子,是一个‘适居行星’,它的条件完全适合生命生存,但我们自己并不特别:我们只是幸运而已。”“我们不能回到过去,从一开始就观察进化,化石记录是在单细胞生命形成后才开始的,大约35亿年前。”然而,我们对地球外形成的复杂的、生命起源之前的有机分子的化学研究表明,进化是可能的——尽管不是不可避免的——可能会重演。”

对金星的研究,以及那里可能存在的简单生命形式,对我们这个“幸运”星球的过去和未来都有影响。英国谢菲尔德大学的安东尼·梅杰(Anthony Meijer)解释说:“金星表面是太阳系中最热的地方,尽管它离太阳比水星远。”“这证明了极端的温室效应,热量被非常密集的大气所捕获。”“大多数天体物理学家认为,我们自己的星球可能会像这样灭亡,但这里有我们自己可能的未来的微弱回声。在新兴类型的气候小说或“气候-fi”中,以及权威的非虚构小说,如我孙子的风暴由气候学家詹姆斯·汉森(James Hansen)所写,描绘了一个迅速失去其金发姑娘特质的星球,也许,这暗示了数十亿年前金星所走过的道路。

梅杰说:“科学中最有力的词语不是‘尤里卡’,而是‘真有趣……’。”格里夫斯的“有趣”结果还没有定论,她将其描述为“异常且无法解释的化学反应”。不管金星的云层中是否存在少量的磷化氢,关于我们最近的邻居,以及它和我们的过去和未来,还有很多有待发现的地方。这将涉及科学,包括化学,远景任务,如果选择资助,应该有良好的设备来执行。

克莱尔·桑瑟姆是一位生活在英国剑桥的科学作家