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金星大气层中发现磷化氢,宇宙中的我们可能有了邻居?

1111    2020-10-28    发布者:中国测试杂志社    来源:原创

从古至今,人类在好奇心的驱动下一次次仰望星空,对浩瀚宇宙的探索与思考从未停止过。古有夜观星象,而随着科技发展,自1957年前苏联发射第一颗人造卫星以来,人类陆陆续续将数以千计的航天器送入太空,能探索到的宇宙空间也随之越来越广。寻找地外生命是探索中从未冷却过的命题,人类渴望在无垠太空中发现生命的存在。而迄今为止,人类尚未发现过任何地外生命,哪怕只是简单的微生物。

今年9月,英国皇家天文学会在新闻发布会上宣布,科学家在金星大气层中检测到了磷化氢(PH3)的存在,且其在大气中的丰度约为20 ug/L[1]。这项结果由英国卡迪夫大学教授简·格里夫斯(Jane·Greaves)与其同事发表在《自然·天文学》杂志上。针对该现象,科学家们给出了自己的推测:在金星大气层中可能存在着某种未知形式的生命。

图1 磷化氢微观结构示意图

这无疑是一则振奋人心的消息,我们在太阳系中是不是拥有了左邻右舍,人类上古时期的神话遐想或将成为现实?我们一起来了解一下金星的基本环境和本次发现的意义。

一、恶劣环境

金星,是太阳系中八大行星之一。它距离太阳0.725个天文单位,按离太阳由近及远的次序排在第二,与地球同处在太阳系宜居带上。金星体积是地球的87%,质量是地球的82%,重力加速度也是地球的90%,绕日公转周期是224.71个地球日,甚至,它还拥有与地球元素构成类似的大气层[2]。从表面上看,金星各方面堪称是人类的第二家园。

然而进一步探索后,人类却发现其环境如同炼狱:

金星虽有着元素类似的稠密大气,却也有着地球92倍的大气压,这对于人类仿佛背负了一辆坦克。同时,它的磁场还很弱,没有一个完整覆盖全球的磁场,不能像地磁场那样为地表生命提供庇护。这些也被科学家怀疑为减缓金星自转速度的原因。金星自转周期长达243.01个地球日,比其公转周期还长,颇有点“天上一日,人间一年”的滋味。

另外,金星上地质活动过度活跃,常常导致火山爆发。而大量喷涌的硫化物因缺乏有效的元素循环,不能重新回归地面和地下,滞留在空气中组成云层,会导致下浓硫酸雨。加上金星大气成分96%为二氧化碳,对比地球上仅占大气含量0.04%的二氧化碳所造成的温室效应,金星上的温室效应可谓极强,全球都处于超过400℃的高温状态。

这样看来,金星环境早已远超了人类的适应极限。

二、生命缝隙

金星星体表面环境恶劣程度对于人类不言而喻,那么其他方位呢?或者,对于微生物而言呢?

还真的存在一丝生命缝隙——正是稠密的大气。一些科学家提出:虽然金星大气层底部含有大量酸性物质,但在星体表面上方约53-62km的高空处环境则温和了许多,压力约为0.5倍大气压,温度约27℃,与地球表面相对接近。这一区域为微生物提供了“相对宜居”的环境条件,而本次发现或许也暗示了这种可能性[3]。

本文考虑到金星与地球的遥远距离,摒弃了传统的地球大气研究手段,采取了遥感测量的方式去探测金星大气。太空探索中通常用光谱仪探测分子,不同的分子会在不同特征波段上产生吸收信号,人们将特定波长吸收的观测结果与分子数据库作比对,就能确定观测到的分子种类。简·格里夫斯和同事就是运用这样的原理,在2017年和2019年分别用麦克斯韦望远镜和阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵观测了金星。他们在1.123毫米的波长处发现吸收,通过比对分析光谱信号确定了磷化氢的存在,并估算出其丰度[4]。

三、关键证据

那么,此次发现的磷化氢能作为验证生命存在的关键证据吗?

磷化氢是一种无色、剧毒、易燃的气体。在工业上,人们已熟知磷化氢的制备,它作为一种熏蒸剂在化学防治上有突出的地位;离开工业手段的天然环境中,磷通常以磷酸盐的形式存在,却缺乏足够强的还原剂来转化为磷化氢,且在氧气中性质不稳定;在缺氧条件下,厌氧微生物在日常代谢活动中,会对外释放出磷化氢。

图2 磷化氢生成过程相关化学反应原理

也就是说,至少对于地球环境,自然情况下磷化氢不会自发形成,而是由厌氧微生物产生,应该属于生命活动的痕迹。实际上,地球大气中也少量存在着较低浓度的磷化氢。基于此,科学家们才认为磷化氢和生物活动紧密相连,甚至于2019年部分科学家把它作为寻找地外生命的标志之一。

图3 不同研究检测到的大气中磷化氢含量

而且,此次金星大气中发现的磷化氢浓度并不低,意味着这并非只是一个偶然现象。理论上,磷化氢若缺少持续补充,将被氧化殆尽,不能稳定存在。

无怪乎此次发现在科学界引起强烈轰动。

四、结论尚早

尽管金星客观上具备了一些孕育生命的理化条件,科学家也在讨论金星大气层的微生物生存适宜性,但对此次发现我们仍要保持谨慎:探测证据显示金星大气层中存在20 ug/L 丰度的磷化氢,属于观测事实,不足以支撑金星上存在生命的结论。

也就是说,我们不能完全排除金星上具有不同于地球上产生磷化氢的化学反应的可能性。科学家也在尝试性地提出多种非生物假设,虽然截至目前都未得到证实,但我们同样无法完全确定“生物造磷”的结论。我们只有在金星大气层中磷化氢存在的位置实地检测到微生物,才能确切地说金星存在生命。

毋庸置疑的是,这次金星大气中磷化氢的发现鼓舞了人心,提供了重要的探测方向。习总书记曾指出:探索浩瀚宇宙是全人类的共同梦想。这是一项带着全人类好奇心甚至童心的伟大事业,每一次发现都将成为人类太空探索之旅上的一小块垫脚石,我们会一步一步走向宇宙的更深处,认识到生命更多的可能性,人类不应孤独。



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