金星七问

晰数塔互联网快讯
2020-09-16 20:00

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：不二北斗，题图来自：视觉中国

地球之外真的有生命吗？这是一个我们一直想要知道，也努力在寻找答案的问题。当天文学家还在为火星上的甲烷能否作为生物特征而争论时，一项新的发现却为天文学家带来了新的争论的课题：磷化氢（PH₃）能否作为寻找地外生命的化学特征？

9月14日，天文学家宣布，他们利用夏威夷和智利的射电望远镜，在金星的大气中探测到了磷化氢的光谱线。这是否意味着我们在金星上发现了生命的迹象？现在，还远不到下结论的时候。正如卡尔·萨根所说：“ 非凡的主张，需要非凡的证据。”

一、金星那么热，有适合生命生存的环境吗？

太阳系，金星位于水星与地球之间。图片来源：Wikipedia

金星通常被称为地球的孪生兄弟，这颗与地球相邻的行星在大小、质量和岩石组成上都与地球相似。但不同的是，地球是一颗宜居的星球，有温和的海洋和湖泊，而金星对于任何生命来说都是一个非常严酷的环境。金星虽然也有着厚厚的大气层，但其表面温度可高到470℃，大气压强是地球海平面的90倍，令人窒息的金星大气比地球上最干燥的地方还要干燥。

不过这次，新的研究在距离金星地表约50到60千米的大气中探测到了磷化氢，这一部分的金星大气相对温和，有着可能适合生命生存的环境，其大气压强与温度条件与地球地表有些相似。

二、磷化氢是一种什么物质？

金星的艺术构想图，图中的小框显示了在大气层中检测到的磷化氢分子。| 图片来源：ESO / M. Kornmesser / L. Calçada & NASA / JPL / Caltech

在金星上发现的磷化氢是一种高活性、易燃、极臭的有毒气体。磷化氢的原料是磷，在金星大气中，磷是由前苏联的维佳探测器在上世纪70年代所探测到的，他们发现它以氧化分子P₄O₆的形式出现。

在地球上，磷化氢的唯一天然来源是生活在无氧环境中的微生物。地球上的微生物是通过“厌氧”过程产生的磷化氢的。我们可以在成堆的企鹅粪便、獾和鱼的内脏中发现这种气体，这种腐烂的“沼气”能与大气中的微粒发生反应。

三、如何确定探测到的是磷化氢？

夏威夷的JCMT望远镜所收集到的数据中，表明金星的大气层中有磷化氢存在的迹象。| 图片来源：W Montgomerie/JCMT/EAO

通常来说，研究人员可以使用光谱学来分析大气中的气体成分。光谱学会研究光如何与分子相互作用。当阳光穿过金星的大气层时，每个分子都会吸收特定的颜色的光。利用地球上的望远镜，研究人员就可以将这些光分解成巨大的“彩虹”，而金星大气中所存在的每种类型的分子，都会在“彩虹”中产生特定的黑色吸收线，就像可识别的特殊条形码一样。以CO₂为例，它会在光谱的红外区域留下吸收线的痕迹。金星上的磷化氢是由射电望远镜ALMA和JCMT在毫米波波段探测到的。

四、此次分析还用到了什么新技术？

可见光光谱中的显示的黑色“条形码”，这些条形码代表着不同的原子和分子。| 图片来源：N.A.Sharp, NOAO/NSO/Kitt Peak FTS/AURA/NSF

这次在金星上探测到磷化氢，不仅依赖于天文观测结果，还得益于对这种分子的“条形码”的更详尽了解。研究人员利用计算量子化学，将目标分子输入电脑中，再解出描述其行为的方程式，来预测分子在不同区域的条形码的强度，对所有相关频率上的磷化氢的条形码进行了精确预测。再根据观测数据，研究人员调整了他们的模型，为天文学家描绘出了168亿条磷化氢条形码。

这一技术原本是用于研究木星和土星，以及一些恒星和遥远的像木星一样的系外行星。直到最近，天文化学家发现，在小型的岩石系外行星上，磷化氢不应该以可被探测到的浓度的形式出现，除非那里有生命存在。因此，在太阳系内的这颗红色岩石行星上发现磷化氢后，天文学家将考虑或许我们可以直接向金星发送探测器，以直接寻找微生物了。

五、在行星上发现磷化氢意味着什么？

具有恶臭和毒性的磷化氢分子，究竟是什么产生的？| 图片来源：NASA & MIT

地球大气中的PH₃含量非常微小，它在大气中的浓度在万亿分之几（ppt）的数量级上，且非常容易在地球大气的氧化过程中迅速被破坏。事实上，这种分子之所以能存在于地球大气中，正是因为地球微生物会不断地产生这种分子。因此，在岩石星球的大气中发现磷化氢，可被认为是那里有生命存在的潜在标志。

不过，现在就断言金星上的磷化氢与生命有关还为时尚早。在此之前，科学家也曾在木星和土星（气态巨行星）上发现过磷化氢，但那里并没有生命的迹象。科学家们认为，这些磷化氢是在大气深处的高压和高温下形成的，然后通过强烈的对流进入高层大气。

六、还有其他过程能产生磷化氢吗？

金星上的火山模拟。| 图片来源：NASA-JPL

除了生命之外，闪电、云层、火山和陨石撞击都有可能产生一些磷化氢，但由这些过程产生的磷化氢，不足以与磷化氢在金星的高氧化性大气中会受到的迅速破坏相抗衡。新研究发现，金星大气中所含有的磷化氢含量要低于木星和土星（约4.8ppm，即百万分之4.8），仅为20ppb（十亿分之20），但仍高于地球含量。这是无法忽视的高浓度，目前，科学家所能够想到的所有可在金星上制造磷化氢的化学过程，都无法给金星上的磷化氢浓度给出一个合理解释。

七、是否可能由某种已灭绝的生物制造？