李忠東

9月14日，歐洲南方天文臺(tái)發(fā)布的一張金星的藝術(shù)效果圖，小圖中展示了磷化氫分子。金星是離地球最近的行星。

2020年9月14日，英國(guó)《自然·天文學(xué)》雜志發(fā)表了一篇由英國(guó)卡迪夫大學(xué)天文學(xué)教授簡(jiǎn)·格里弗斯團(tuán)隊(duì)和美國(guó)麻省理工學(xué)院天體物理學(xué)家薩拉·西格爾團(tuán)隊(duì)聯(lián)合發(fā)布的研究論文，宣布首次在金星大氣中探測(cè)到了磷化氫氣體。雖然這無(wú)法作為存在微生物生命的有力證據(jù)，但意味著金星上可能發(fā)生著未知的光化學(xué)或地球化學(xué)過(guò)程，金星大氣層中或許存在著某種未知形式的生命，由此開(kāi)啟了一個(gè)研究金星和其他行星生命活動(dòng)的新窗口。不少科學(xué)家對(duì)這項(xiàng)研究結(jié)果倍感興奮，有人不禁提出：一直以來(lái)，人類是否忽視了這顆除火星外最像地球的行星？

磷化氫濃度20ppb

雖然這項(xiàng)研究最近才發(fā)布，但是該國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)3年前就開(kāi)始研究金星的大氣成分。2017年，研究人員使用位于夏威夷的詹姆斯·克拉克·麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（JCMT）的一臺(tái)光譜儀來(lái)分析金星大氣的化學(xué)構(gòu)成，探測(cè)到了磷化氫的光譜指紋。2019年，他們又通過(guò)位于智利的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣（ALMA）對(duì)這些探測(cè)結(jié)果進(jìn)行了確認(rèn)。這2臺(tái)望遠(yuǎn)鏡都能觀測(cè)到從遠(yuǎn)紅外線到微波的亞毫米波長(zhǎng)，科學(xué)家們憑借它們對(duì)具有獨(dú)特“吸收線”的磷化氫進(jìn)行分辨之后，確定了這種化合物的存在。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，金星大氣中的磷化氫濃度約為20ppb。ppb指的是十億分比濃度，相當(dāng)于10億顆空氣分子中含有20顆磷化氫粒子。

磷化氫的化學(xué)分子式是PH3，是一種比空氣還要重的氣體，無(wú)色但有毒。當(dāng)磷化物產(chǎn)生了磷化氫氣體時(shí)，會(huì)伴隨著一陣類似大蒜或者腐魚(yú)味。磷化氫一般很難通過(guò)天然的環(huán)境來(lái)生成，相反很容易在生物代謝中生成，尤其是在缺氧情況下。地球上產(chǎn)生的磷化氫與生命有關(guān)，都是由厭氧微生物產(chǎn)生的。一般存在于企鵝等動(dòng)物的腸道，或是沼澤等缺氧環(huán)境中，是厭氧生物代謝活動(dòng)的副產(chǎn)物?？茖W(xué)家認(rèn)為，磷化氫在自然情況下不會(huì)自發(fā)形成，唯一已知的來(lái)源只有人類的工業(yè)制造活動(dòng)。2019年，科學(xué)家就把磷化氫氣體作為人類探尋外星生命時(shí)的“生物標(biāo)記”之一，沒(méi)想到事隔一年就在金星大氣層中發(fā)現(xiàn)了這種化合物。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)從金星大氣中探測(cè)到的磷化氫進(jìn)行了詳盡的分析，設(shè)法弄清它究竟是來(lái)自生物本身還是其他的化學(xué)反應(yīng)，是來(lái)自地面還是空中。該研究論文的主要作者、英國(guó)卡迪夫大學(xué)天文學(xué)家簡(jiǎn)·格雷夫斯說(shuō)：“我們?cè)u(píng)估了可能在金星大氣中生成磷化氫的各種非生物來(lái)源，如火山活動(dòng)、隕石、閃電和各種類型的化學(xué)反應(yīng)，但沒(méi)有一個(gè)可行?！倍撐淖髡咧弧APS研究科學(xué)家賈努斯·佩特科夫斯基表示：“這意味著要么存在生命，要么存在某種我們不希望發(fā)生在巖石行星上的物理或化學(xué)過(guò)程?！?/p>

論文作者之一、麻省理工學(xué)院地球、大氣和行星科學(xué)系（EAPS）分子天體物理學(xué)家克拉拉·索薩-席爾瓦指出，就我們目前對(duì)金星的了解而言，雖然聽(tīng)起來(lái)有些難以置信，但是在金星大氣中檢測(cè)到磷化氫最合理的解釋就是有生命存在。證實(shí)這項(xiàng)研究很重要，因?yàn)檫@不僅意味著地球并不孤單，而且也意味著生命在宇宙中具有一定的普遍性，銀河系中一定還有星球居住著其他生命體。但她也強(qiáng)調(diào)，將磷化氫的發(fā)現(xiàn)解釋為有生命跡象，應(yīng)該是無(wú)法給出其他解釋情況下的“最終解釋”。所以，研究團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論：除了生命存在之外，無(wú)法解釋金星大氣中檢測(cè)到的磷化氫。新的發(fā)現(xiàn)帶來(lái)新的疑問(wèn)，同時(shí)又給科研人員開(kāi)辟了新的視角。他們計(jì)劃進(jìn)一步開(kāi)展觀測(cè)和模擬，尋找金星大氣中“生物造磷”的可能性。在另一項(xiàng)研究中，賈努斯·佩特科夫斯基等人探索了一種可能性，即金星大氣層的下層，可能對(duì)假想的金星生物圈的生存至關(guān)重要。他們認(rèn)為，金星大氣中可能存在生命循環(huán)。任何空中的金星生命都與地球上的生命有本質(zhì)的區(qū)別，因?yàn)榻鹦巧系囊后w介質(zhì)并不像地球上那樣是水。

如今，蘇薩-席爾瓦和詹森·迪特曼正領(lǐng)銜另一個(gè)研究項(xiàng)目：用其他望遠(yuǎn)鏡進(jìn)一步證實(shí)探測(cè)到的磷化氫。他們還希望能在金星的大氣層中繪制出這種分子的分布圖，以觀察其信號(hào)是否存在每日或季節(jié)性的變化，從而暗示生命活動(dòng)。從技術(shù)層面來(lái)看，科學(xué)家以前在金星的大氣層中也發(fā)現(xiàn)過(guò)生物分子，但是這些分子除了與生命有關(guān)外，還與其他“1000種物質(zhì)相關(guān)”。磷化氫之所以特別，是因?yàn)槿魶](méi)有生命就很難在巖石行星上產(chǎn)生。地球是唯一一個(gè)被發(fā)現(xiàn)有磷化氫的類地行星，而地球存在生命。

“溫和區(qū)”適宜生存

金星是距離地球最近的行星，但一直以來(lái)科學(xué)家更多地將尋找生命跡象的目光投向火星，希望能在那里尋找到地外生命，然后建立人類可移居的生存家園。金星之所以受到的關(guān)注較少，原因在于那里環(huán)境嚴(yán)苛，地表環(huán)境對(duì)生命極不友好，且到達(dá)金星要比到達(dá)火星困難得多。此前，日本“拂曉號(hào)”金星探測(cè)器發(fā)回的數(shù)據(jù)表明，金星的大氣構(gòu)成和動(dòng)力學(xué)情況遠(yuǎn)比人們之前預(yù)想的更為復(fù)雜，一般生命難以生存。對(duì)此，美國(guó)麻省理工學(xué)院行星專家薩拉·西格爾形容道：“對(duì)于任何生命來(lái)說(shuō)，金星都是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境。”

在宇宙中，金星與地球最為相似，其半徑只比地球半徑小300千米，體積是地球的0.88倍，質(zhì)量為地球的4/5。但是，金星在地表環(huán)境上卻與地球有著天壤之別，被稱為地球的“暗黑姐妹”。在金星濃厚的大氣層中有96% 以上是二氧化碳，缺乏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，彌漫著厚實(shí)且令人窒息的“硫酸云”。大氣壓強(qiáng)是地球上的93倍，差不多是地球上海面之下1000米處的壓力。失控的溫室效應(yīng)讓金星成為太陽(yáng)系中最熱的行星，表面溫度超過(guò)400°C，像個(gè)足以讓鉛融化的烤爐，與地球表面溫度相比簡(jiǎn)直是“煉獄”。1970年，蘇聯(lián)在金星上降落了“維納7號(hào)”航天器，它是第一個(gè)將數(shù)據(jù)傳回地球的探測(cè)器。但“維納7號(hào)”航天器在灼熱的高溫下，幾秒鐘內(nèi)就被融化了。之后發(fā)射的“金星14號(hào)”航天器成功拍攝到金星表面的圖片，但它只“存活”了57分鐘。1967年，美國(guó)的“水手5號(hào)”探測(cè)器成功登陸金星，也只“幸存”了93分鐘。

在大部分人的認(rèn)知里，金星上是絕對(duì)不會(huì)存在生命的。然而，科學(xué)家并不這樣認(rèn)為。早在53年前，著名天體物理學(xué)家卡爾·薩根和哈羅德·莫羅維茨就提出，在超過(guò)20億年的時(shí)間里，金星和火星上可能存在海洋和適宜生命出現(xiàn)的環(huán)境。但隨著某些突發(fā)事件的出現(xiàn)，平衡被打破了，金星和火星失去了大部分的水。但在這些災(zāi)難發(fā)生之前，生命有可能已經(jīng)出現(xiàn)，并可能在火星上躲藏于地下，或在金星的高空云層中幸存下來(lái)。

金星的環(huán)境對(duì)于任何生命而言都非常具有挑戰(zhàn)性。不過(guò)，金星大氣層中隱藏著一片與地球表面相似，且相對(duì)適宜生存的區(qū)域。那就是距離表面53～62千米以上的大氣層環(huán)境。當(dāng)氣壓下降到1個(gè)地球大氣壓左右，溫度下降到30°C左右，就可稱作“溫和區(qū)”。 科學(xué)家猜測(cè)，如果金星大氣層中確實(shí)有生命存在，那將是一種空中形態(tài)的生命，那里可能是它唯一能生存的地方。而這次國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)正是在“溫和區(qū)”觀察到了磷化氫信號(hào)，也就是被其他人認(rèn)為可能適合居住的地方。生命有機(jī)體飄浮在金星的云層中，這是難以想象的可能性。這可能表明，即使是在宜居帶邊緣的行星，也可能具有適合居住的大氣層。

日本“拂曉號(hào)”金星探測(cè)器拍攝的金星硫酸云層（偽色）“拂曉號(hào)”金星探測(cè)器用紅外熱像儀拍攝的這張金星影像中，黑暗的高空云遮蓋了明亮的中高云。正使科學(xué)家們?yōu)橹缘氖窃跍貛е锌赵茖又袡z測(cè)到的磷氣，它們可能具有生命的印記。

探測(cè)應(yīng)優(yōu)先考慮金星

此前，不少研究都聲稱發(fā)現(xiàn)了外星生命的痕跡，比如在火星的大氣層中曾檢測(cè)到甲烷?？墒沁M(jìn)一步的調(diào)查證實(shí)，這些痕跡都可以通過(guò)非生物過(guò)程產(chǎn)生，迄今科學(xué)家還未在任何地方發(fā)現(xiàn)外星生命。因此，對(duì)于在金星大氣層中探測(cè)到磷化氫蹤跡這個(gè)非常初步的觀測(cè)結(jié)果，不少科學(xué)家持謹(jǐn)慎態(tài)度，認(rèn)為磷化氫也并不是生命存在的有力證據(jù)，也不能排除磷化氫的非生物來(lái)源。

英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院天文物理學(xué)家戴維·克萊門(mén)茨認(rèn)為，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)還只是個(gè)間接證據(jù)，還無(wú)法證明金星真的有生命存在。當(dāng)然，空氣中明顯飄散著某種物質(zhì)，這可能暗示著什么。而康奈爾大學(xué)天文學(xué)系主任喬納森·蘭尼爾認(rèn)為，除了金星有自己的微生物外，還存在一種可能性，微生物是在地球或火星（如果火星上有生命的話）對(duì)金星的撞擊中，從巖石物質(zhì)中被釋放出來(lái)的，這種撞擊在太陽(yáng)系早期較為常見(jiàn)。另一種可能性則較令人掃興，他認(rèn)為金星上的磷化氫可能來(lái)自太空探測(cè)器的污染。20世紀(jì)70-80年代，蘇聯(lián)和美國(guó)的探測(cè)器曾先后降落在金星表面，可能導(dǎo)致了污染。

即便如此，美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的行星科學(xué)家桑杰·利馬耶仍對(duì)這一發(fā)現(xiàn)感到興奮，認(rèn)為值得繼續(xù)進(jìn)行搜索。蘇薩·席爾瓦說(shuō)道：“有趣的是，這可能表明金星大氣中正在發(fā)生某種奇怪的事情，但究竟是外來(lái)化學(xué)物質(zhì)還是生命，我們需要去探索并找出答案。幸運(yùn)的是，金星就在地球旁邊，真的可以去看看?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)試圖證實(shí)這種分子可能有一個(gè)自然、非生物的起源，就目前而言研究暫時(shí)陷入僵局。但他們認(rèn)為，考慮到現(xiàn)有對(duì)金星的所有了解以及那里的條件，還沒(méi)有人能夠提出一種非生物途徑來(lái)得到磷化氫的方式，也沒(méi)有人能夠解釋已經(jīng)被探測(cè)到的磷化氫是否意味著生命存在。

簡(jiǎn)·格里夫斯認(rèn)為，對(duì)金星的進(jìn)一步探索不可或缺，科學(xué)家將使用不同類型的地面望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行確認(rèn)。不過(guò)，科學(xué)家使用這些儀器觀測(cè)可能無(wú)法回答以下這些重要的問(wèn)題：是什么物質(zhì)產(chǎn)生了這種氣體？是某種未知的地質(zhì)化學(xué)過(guò)程，還是降落在金星上的硫酸雨中含有的某種微生物？探測(cè)金星的關(guān)鍵在于對(duì)其大氣層的探測(cè)，這正是世界主要航天機(jī)構(gòu)正在計(jì)劃中的探索行動(dòng)。如果可以釋放類似于氣球探測(cè)器，隨意改變其在金星上的高度，就可以對(duì)不同高度的大氣層進(jìn)行探測(cè)，那么也許就能發(fā)現(xiàn)隱藏其中的生命。薩拉·西格爾提出，如果太陽(yáng)系外的巖質(zhì)行星也被發(fā)現(xiàn)存在磷化氫氣體，那么說(shuō)明這種化合物可能是存在生命的象征。然而，太陽(yáng)系外的巖質(zhì)行星不僅數(shù)量眾多，而且距離地球十分遙遠(yuǎn)，這可能要等到美國(guó)宇航局研發(fā)出詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡后才能進(jìn)行觀測(cè)和探索。

美國(guó)宇航局局長(zhǎng)吉姆·布里登斯廷在推特上表示，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是迄今研究外星生命最重要的進(jìn)展，是時(shí)候優(yōu)先考慮金星了。對(duì)于金星，目前尚無(wú)明確的探測(cè)任務(wù)，但磷化氫的發(fā)現(xiàn)無(wú)疑將推動(dòng)金星探測(cè)事業(yè)的發(fā)展，未來(lái)我們應(yīng)該會(huì)看到探測(cè)器在金星大氣層中作業(yè)，從而確定金星上是否存在生命。目前，美國(guó)宇航局正在考慮的任務(wù)之一就是向金星發(fā)射大氣探測(cè)器，可能會(huì)在10年后執(zhí)行。這項(xiàng)任務(wù)的核心名為“金星深層大氣惰性氣體、化學(xué)和成像調(diào)查+”任務(wù)，將讓直徑為1米的藍(lán)色金屬球穿越金星的大氣，最終到達(dá)其表面。該探測(cè)器將配備與“好奇號(hào)”火星車所攜帶儀器相似的設(shè)備，它們將提供有關(guān)金星大氣成分的詳細(xì)數(shù)據(jù)。