天体生物学家在金星上发现了磷化氢，这种分子被当成生命存在标志。

 

撰文 | 刘辛味

 

日本破晓号探测器拍摄的金星硫酸云层（伪色）丨图源：AKATSUKI PROJECT TEAM/ISAS/JAXA

 

9月14日，皇家天文学会（RAS）召开线上新闻发布会表示，科学家在金星强酸性的大气层中发现一种名为磷化氢（PH3）的气体，且浓度异常之高。这种剧毒、易燃且极臭的气体在地球上通常由微生物产生，在天体生物学中被当成生命体标记。研究人员认为地球的邻居——金星可能有生命存在的迹象，也可能发生了一系列我们未知的光化学或地球化学过程。研究成果发表在《自然-天文学》。

 

这一发现令科学家兴奋，因为磷化氢这一物质在地球上参与生命过程，是新陈代谢的副产品。磷化氢是由厌氧生物产生的气体，散发出难闻的味道，达到一定浓度会致人中毒损伤。但它也被认为可能对全球的磷循环有重要贡献。另外，磷化氢也有一些工业和农业用途，如熏蒸剂。

 

事实上，此前科学家曾在气态行星木星和土星中发现过磷化氢，他们发现气态巨行星上的极端环境可能提供能量上的帮助，克服磷原子和氢原子之间的排斥，使其自然形成磷化氢。而在地球上磷化氢只是厌氧生物的产物，很难通过普通的地质或大气作用生成，并且这种分子极不稳定，要持续产生才能维持存在，这便是磷化氢被当成生命灯塔的原因。

磷化氢分子丨图源：wiki

 

金星是平日夜空中最容易见到的天体之一，自古以来就在人类文化中占有举足轻重的地位。比如金星在古罗马神话代表爱与美之神维纳斯，至今生物学上表示女性的符号用的就是金星的占星符号。金星是太阳系中的四个类地行星之一，其质量、体积与地球相似，直径仅比地球小638.4公里。但与地球舒适的环境相比，金星堪称“地狱”，地表条件对生命很不友好，表面的压力是地球的92倍，温度高达900℃（表面平均温度至少为462℃），足以熔化铅块。即使水星才是距离太阳最近的行星，但地表温度最高的是金星。

 

论文作者、英国卡迪夫大学教授Jane Greaves和她的团队在2017年用位于夏威夷的麦克斯韦望远镜（JMCT）观测了金星。作为射电天文学家的Jane Greaves通常把目光放在遥远的星系，主要研究年轻恒星系统的行星，但太阳系后院里的行星也是她关注的对象，观察冥王星、土星和其卫星等，希望能找到生命存在的证据。他们本来没指望能在这里找到磷化氢分子，只是为寻找系外行星大气物质设定可检测性基准。因为磷更容易与氧结合，金星大气层主要由二氧化碳组成，偏强酸性。这种环境被认为并不适合于磷化氢的产生。但令他们意想不到的是，竟然发现了磷的光吸收谱线，团队甚至一度认为是错误信号，但分析发现只有磷化氢是最有可能的解释。

 

麦克斯韦望远镜丨图源：WILL MONTGOMERIE/JCMT/EAO

 

2019年，他们又用位于智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵（ALMA）进行了观察，该望远镜性能更好，最终他们探测到属于磷化氢的光谱特征，并估算出金星云层中距地面53公里处的磷化氢丰度为20ppb（十亿分之二十），是地球大气中浓度的数千倍。虽然十亿分之二十听起来微不足道，但科学家认为实际上不应该有那么多。在金星高层大气中发现的酸性条件下，一个分子的平均寿命只有16分钟左右。为了抵消这种持续性的破坏，必须有大量稳定的气体来源。

 

许多科学家表示了这项研究令人惊讶，华盛顿大学的天体生物学家Michael Wong表示，“这确实是一个令人困惑的发现，因为磷化氢并不符合我们对金星大气存在化学物质的理解。” 威斯敏斯特大学的天体生物学家Lewis Dartnell认为，“这些气体含量远远高于目前已知方法生产所能解释的水平”。

 

在地球上，许多能低氧环境中茁壮生长的微生物会产生磷化氢。而在距离金星表面53到61公里的高空，这里的温度与地球相似，是适宜的30摄氏度，有提供生命的基础环境。53年前，美国天文学家、科普作家卡尔·萨根就曾假设这里存在生命，“尽管金星的表面条件使在那里生活的假设是难以置信的，但金星的云层完全不同”。

 

Greaves团队试图找出这些磷化氢的来源。研究团队考察了各种可能产生磷化氢的方式，包括来自金星地表、微陨星、闪电或云层内部的化学过程。含磷矿物是磷化氢的一种可能的原料，但它不太可能从行星表面飘至高空。闪电和阳光驱动的化学反应也不能产生足够的气体。地球上火山喷出的磷化氢非常少，如果同样的过程发生在金星，那么金星上的火山活跃程度要达到地球的200倍以上。

 

最终，他们无法确定这些微量磷化氢的来源，因此在论文中谨慎地提出，磷化氢分子可能由金星上的生命体产生，但探测到磷化氢无法作为存在微生物生命的有力证据，只能表明金星上可能发生着未知的地质或化学过程。

 

该研究的合著者、麻省理工学院的行星科学家Sukrit Ranjan认为，磷化氢的存在并不一定是生命存在的肯定迹象。磷化氢的化学性质并不为人所知，而且这种气体可能更容易在金星大气中较低的温和层中存在，这样就可以避免太阳光的照射，而太阳光会破坏磷化氢的光化学反应。还有科学家对磷化氢的光谱信号的真实性产生质疑，因为信号微弱，可能是同频率的人工信号。ALMA天文台John Carpenter指出，远程分子识别的标准涉及检测同一分子的多个指纹，这些指纹在电磁波谱上以不同的频率显示，但该团队尚未对磷化氢进行研究，“他们步骤正确，但我不确定是真实的”。

 

研究团队认为两个独立望远镜的结果同时出现统计问题的可能性很小，他们也希望能在其他波段识别磷化氢，本计划用平流层红外天文台（SOFIA）和NASA红外望远镜（IRTF）观测验证，但因为新冠疫情暂时搁置。

 

长期以来，科学家希望从火星上寻找生命，今年扎堆发射的火星探测器就有最终判定火星是否有生命的目标。近年来对金星的探测确实已经很少，现在只有日本破晓号（Akatsuki）探测器在轨道运行。而早期对金星的探测表明，大气中某部分对紫外线吸收比预期多，有科学家提出这可能是空气微生物所致，但更有可能是含硫化合物存在——微生物产生了硫。观察推测金星还曾有液态水，因此有一些科学家认真描述了“金星人”生存可能。如今，这些研究或许应该被严肃地考虑。作为地球邻居的金星，我们仍了解很少，至少这里还有很多未知的大气化学现象。

 

参考来源

 

Greaves, J.S., Richards, A.M.S., Bains, W. et al. Phosphine gas in the cloud decks of Venus. Nat Astron (2020). https://doi.org/10.1038/s41550-020-1174-4

 

https://www.sciencemag.org/news/2020/09/curious-and-unexplained-gas-spotted-venus-s-atmosphere-also-spewed-microbes-earth

 

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

 

https://www.nationalgeographic.com/science/2020/09/possible-sign-of-life-found-on-venus-phosphine-gas/

 

https://en.wikipedia.org/wiki/Venus#Early_studies