科学家:金星大气有生命标记 “磷化氢”,有望存在繁盛生物群

2020/9/17 10:12:28 来源:新浪科技 作者:任天 责编:骑士

近日,研究人员在《自然 - 天文学》杂志上发表论文称,他们在金星的大气层中发现了磷化氢(PH3),这种气体被认为是一种潜在的 “生命迹象”。许多人都对这一消息感到震惊。这一发现无疑将重新唤起科学界对金星的兴趣。那么,对于这个距离我们最近的行星邻居,未来会发生什么呢?科学家又将如何确定金星的云层中是否存在生命?

磷化氢是一种易燃气体,通常与沼泽臭气和企鹅等动物的粪便联系在一起。通常而言,在搜寻地外生命时,磷化氢并不是天体生物学家关注的焦点。然而,这篇新论文的发表使情况发生了变化。

磷化氢由 1 个磷原子外加 3 个氢原子组成,在地球上,该气体主要是由能在缺氧环境中生长的微生物产生。考虑到金星的环境条件对生命而言过于恶劣,能在这个星球上发现大约 20ppb 的磷化氢简直可以说是巨大的惊喜。理论上,由于大量的紫外线照射以及金星云层中丰富的硫酸,磷化氢气体应该早已被完全消除。金星上似乎有什么东西在不断产生磷化氢,会是什么呢?

英国卡迪夫大学的天文学家简 · 格里夫斯是这项新研究的作者之一。他指出,分析结果有一定的限制,这项新研究也不能作为金星上存在生命的证据。但研究人员也表示,磷化氢的确有可能是由某些未知的化学过程或生命本身产生的。

金星并不是天体生物学家的主要目标,因为其表面温度在 450 摄氏度左右,大气所施加的压力是我们在地球上感受到的压力的 90 倍。如果金星上真的有生命存在,那将迫使我们认真地重新思考行星的宜居性,无论是太阳系以内的行星,还是系外行星。

尽管金星是离地球最近的行星,但天文学家对它却知之甚少,这其中的部分原因也完全可以理解。历史上,在制定成本高昂的科学任务时,金星一直不被认为是一个很有吸引力的目标,而其他行星,比如火星,却获得了很高的关注。

“在过去 20 年里,我们取得了一些新发现,而这些新发现都意味着在其他星球发现生命的可能性大大增加,”美国国家航空航天局发言人在一份声明中解释道,“随着行星体的数量越来越多,事实证明,金星是一个令人兴奋的发现之地,尽管由于其极端温度、大气成分和其他因素,它一直不是寻找地外生命的重要组成部分。”

因此,目前科学家对金星的表面地形、地质学(包括其地质历史)、构造和潜在的火山活动都不完全了解。然而,在金星上发现磷化氢之后,NASA 局长吉姆 · 布里登斯廷在社交媒体上表示,这是 “在地球以外寻找生命存在证据方面最重要的进展”,并认为 “是时候优先考虑金星了”。

在我们向金星发射新的探测器进行调查之前,地球上还有很多工作要做。首先,科学家需要确认这些磷化氢波长信号是否真实可靠。格里夫斯及其同事利用位于夏威夷的詹姆斯 · 克拉克 · 麦克斯韦望远镜,以及智利的阿塔卡马大型毫米波阵列收集到了这些信号。

“首先,应该在其他波长搜索磷化氢信号来确认检测结果,同时也要绘制磷化氢在金星的全球分布图,”美国威斯康星大学麦迪逊分校的科学家桑杰 · 利马耶解释道,“这并不容易,因为磷化氢在紫外和红外波段的含量相对较少,其光谱特征可能会被更丰富的化学物质的特征所掩盖,比如二氧化碳、水蒸气、硫酸等等。”

利马耶表示,金星作为一颗内行星,在天空中与太阳的距离永远不会太远,这使得在某些波长下的观测变得困难。幸运的是,无线电观测没有这个问题。他指出,除了寻找特定的生物气体,科学家还应该在金星的大气中寻找可识别的反差特征,并尝试追踪这些特征的演变和化学性质。

两年前,利马耶领导了一项研究,提出以暗斑形式出现的反差特征可能是金星上生命存在的迹象,并认为金星的大气层可能有能力容纳微生物。在当时,这似乎是一个古怪的想法,但在今天看来,情况似乎有了转机。

最终,科学家希望未来能向金星发射探测器。好消息是,正如 NASA 在声明中所解释的那样,在该机构的 “发现计划”(Discovery Program)接下来的 4 个候选任务中,有两个——VERITAS 和 DAVINCI+——都与金星有关。NASA 的合作伙伴欧洲空间局(ESA)的 “预想”(EnVision)任务也是如此。由于金星离地球很近,因此或许可以用更加温和的方式进行探索。

“DAVINCI+”是 “Deep Atmosphere Venus Investigation of Noble gases,Chemistry,and Imaging Plus”(金星深层大气惰性气体、化学和成像探测 +)的缩写,其中的 “+”指该任务的成像组件。这是一个带有降落伞、可以缓慢降落到金星表面的探测器。利用所携带的各种仪器,DAVINCI + 能探测多种气体,并绘制金星的表面地图。、

“VERITAS”任务名称来源于 “金星辐射率”(Venus Emissivity)、“射电科学”(Radio Science)、“干涉雷达”(InSAR)、“地形学”(Topography)和 “光谱学”(Spectroscopy)的首字母缩写,其中包括一颗绕金星运行的卫星。除了绘制金星的三维地形图,该探测器还将测量金星的温度,并研究其重力场,进行一些远程的地质研究,同时部署一个装有质谱仪的探测器来探测化学特征。

欧空局的 EnVision 任务是一颗主要研究金星地质学的卫星,但鉴于其令人印象深刻的传感器阵列,该探测器还可以用于许多其他任务。

也有私营公司在考虑探索金星,比如由航天公司 “火箭实验室”(Rocket Lab)创始人、新西兰工程师彼得 · 贝克提出的前往金星的任务。根据贝克的计划,一个装有多种仪器的探测器将被发射到金星的大气层中。在近日举行的新闻发布会上,格里夫斯表示她的团队愿意与私营公司合作。

需要注意的是,这些任务都还没有被批准,只是磷化氢的发现使金星在一夜之间吸引了无数人的目光。一旦这些探测器部署到位,科学家们应该可以对金星表面上方约 47 到 70 公里的云层进行采样。利马耶称这些调查是 “必要的”。他解释道,通过在云层中进行测量,科学家 “应该能够发现任何重要生物气体的存在,不仅仅是磷化氢,还有甲烷等气体。”他认为,另一项有用的任务是确定 “微生物赖以生存的云层液滴具有哪些物理、化学和生物特性”,当然,该任务的前提是微生物确实存在于金星云层。

利马耶补充道,半浮式平台,比如诺斯罗普 · 格鲁曼公司的 “金星大气机动平台”(VAMP),将是完成这项任务的理想场所,因为平台上可以配备显微镜、分光计和其他仪器。另一个选项是气球,类似于 20 世纪 80 年代中期苏联的 “维加计划”(Vega program)任务。“我们希望能再次看到这样的东西,”麻省理工学院的天体生物学家、这项新研究的合著者萨拉 · 西格尔在新闻发布会上说,“也许就是那些 Vega 气球的超级版本,可以持续运行一个星期至几个月,甚至几年,而不只是几天。”

西格尔将气球描述为研究金星大气层的 “绝佳方式”,其原因与利马耶强调的一样。不过,气球的可操控性远不如 VAMP 或类似的飞行器,比如一些科学家拟议的魟形滑翔机,称为 “BREEZE”。

一些科学家提出,可以用魟形滑翔机(称为 “BREEZE”,想象图)对金星的大气层进行探测

利马耶和西格尔都表示,机载分光计对探索金星大气层的任务至关重要。“利用分光计在不同波长(从紫外线到毫米波段)下工作,应该可以绘制磷化氢、二氧化硫和其他气体的分布图,看看它们是否与金星图像上的云量反差特征相关,”利马耶解释道。

正如利马耶及其同事在 2018 年的论文中指出的那样,这些探测可以让科学家了解金星大气层中可能的生命形式与反差特征之间的联系。他指出,大气探测器的其他重要设备将包括用于收集环境数据的气象传感器、用于研究行星大气成分的化学传感器、用于进行物理和生物表征的荧光成像显微镜,以及可以探测生物特征的其他传感器。对于金星的轨道卫星,利马耶推荐使用多光谱成像照相机和分光计。

除了这些项目,天文学家还需要弄清楚在金星的大气层中可能存在着哪些奇怪的非生物或生物化学过程。在土星和木星上,磷化氢是通过非生物过程自然产生的,但在金星上没有类似的情况。也许就像这项新研究表明的那样,科学家有一些尚未考虑到的问题。能够对原子组合进行混合和匹配的计算机算法可能会有所帮助。

与此同时,生物学家还应该弄清楚极端微生物将如何能够承受金星大气中的恶劣条件。正如格里夫斯在新闻发布会上解释的那样,“真正的挑战是观察是否有任何形式的生命能够通过演化,适应这种难以置信的酸性环境”,因为在地球上还没有类似的环境。简单来说,这种假想的生命形式实际上可能在演化或生物学上是不可能的。

的确,现在是科学家们展开多学科合作的时候了,因为这项工作需要天文学家、工程师、天体生物学家、微生物学家、化学家、地质学家、计算机科学家和行星科学家,以及其他专家的共同努力。另一方面,我们也需要考虑一些别的问题,比如研究这些微生物的伦理和安全考虑是什么?如果在我们匆忙寻找生命的过程中,会不小心用地球上的细菌污染了金星,该怎么办?当然,所有的数据都必须经过仔细的审查、确认和验证,科学家才能得出明确的结论。

没有人能说我们会很快找到地外生命,这一过程也并不容易,但鉴于就在距离我们最近的星球上可能就存在着一些微小的外星生物,或许是时候开始认真对待这一问题了。

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关键词:金星生命

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