金星七问
2020-09-16 20:00

金星七问

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? 


 图片来源:Wikimedia Commons


研究人员计算了金星上磷化氢的寿命,发现它们在被破坏之前的存在时间不超过1000年。所以一定有什么东西在向大气中不断地补给磷化氢,才能达到探测到的浓度。如果可能产生这种气体的是已经灭绝的生物,那它们的灭绝一定发生在不久之前。从行星的时间尺度来看,这种可能性显然是很低的。


过去,天文学家也曾在金星的大气层中发现过可能意味着与生命有关的分子存在,但这些分子除了与生命相关之外,还有无数种解释可以描述它们为何存在。而这次,由于我们认为在岩石行星上,只有生命才有可能产生磷化氢分子,使得新的发现尤其令人兴奋。


现在,一部分研究人员正在计划前往金星,以求更好地研究金星的地质和构造,进而找到金星上是否有生命存在的确切证据。


参考来源:

https://ras.ac.uk/news-and-press/news/hints-life-venus

https://theconversation.com/life-on-venus-traces-of-phosphine-may-be-a-sign-of-biological-activity-146093

https://www.sciencenews.org/article/phosphine-gas-found-venus-atmosphere-possible-sign-life


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:不二北斗


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