天文学家在金星上发现磷化氢，这可能是生命存在的潜在迹象

周一，一个国际天文学家团队详尽地展示了金星云顶含有微量磷化氢——一种有毒、恶臭的气体，在地球上由微生物生命（以及一些工业过程）产生。更重要的是，他们说，这种化学物质的存在是一个谜。在金星上的条件下，目前已知的非生物过程无法产生磷化氢。

如果这一发现得到证实，那将引出一个诱人的可能性，即这个地狱般的世界可能在其奇特而神秘的云层中 harboring 外星生命。或者，磷化氢也可能是某种未知化学过程的结果，这本身也很有吸引力。

在9月14日的Zoom新闻发布会上宣布这一发现时，研究人员试图同时表达兴奋和克制。

“我们有可能在金星的云层中探测到某种生命有机体，”领导观测的卡迪夫大学天文学家简·格里夫斯在发布会上说，“这非常令人兴奋，而且确实出乎意料。”

“我们声称在金星上发现了生命，”麻省理工学院行星科学家、研究合著者萨拉·西格几分钟后强调，“我们声称确定性地探测到了磷化氢气体，其存在是一个谜。”

这项研究直到周一才发表在《自然天文学》杂志上，但在前一周，这份被禁止发表的论文分发给记者后，消息迅速在学界传开。

这一发现让人们重新关注金星云层中生命的可能性，这曾被认为是一个边缘化的想法。除了引发大量争论之外，金星云层中不明磷化氢的探测已经促使更多的研究和非官方提案，探讨未来金星任务如何寻找更多外星生命迹象。

“磷化氢的发现令人兴奋，因为它要求后续研究，”未参与此次发现团队的加州理工学院行星科学家贝瑟尼·埃尔曼告诉《天文学》杂志，“太阳系中寻找生命的前三大目的地是火星、土卫二和木卫二——现在我们也许应该把金星也加入到名单中。”

一片空中海洋

尽管金星表面热得足以熔化铅——接近900华氏度（480摄氏度）——卡尔·萨根和哈罗德·莫罗维茨在1967年提出，生命可能在它的云层中茁壮成长。毕竟，距离表面约10英里（16公里）的地方，温度和压力更接近地球。

但那是在科学家发现金星有多么极端之前。这颗行星的云层至少由80%的硫酸组成——一种腐蚀性极强、致命的化合物，比电池酸的酸性强数千倍。行星科学研究所（LPN）的休斯顿天体生物学家戴维·格林斯彭告诉《天文学》杂志，生命在这种条件下可能存活的想法，过去很多人都曾怀疑过，现在更是不受待见。事实上，他补充说，“它几乎被遗忘了。”

但近年来，金星生命的概念有所回归。

在1990年代初期，美国宇航局的麦哲伦号探测器利用雷达绘制了金星表面地图，揭示了喷发火山为金星的硫磺云层提供了物质。这些云层还与阳光相互作用，通过化学作用将地表、大气和太阳联系起来，创造了一个活跃的丰富循环，在太阳系中除了地球以外别无他例。格林斯彭在他的1997年著作《金星揭秘》中提出，这些云层中搅拌的能量和矿物质可以为生命提供一个富含必要营养的温和生态位。

“这些云层就像金星的海洋，”他说。

最近，科学家们也了解到微生物比以前认为的更具适应性。所谓的极端微生物可以在以前被认为不适合居住的环境中生存和繁衍。此外，现代气候模型还表明，在金星历史的早期，这颗行星更加宜居，其表面有稳定、长期存在的海洋。

“你得到的画面是，这两个宜居——也许曾经有人居住——的世界（地球和金星）在数十亿年里彼此相邻，谁知道呢，它们可能交换了生命，或者平行演化，”格林斯彭说。因此，当失控的温室效应最终压倒金星并使其表面不适宜居住时，也许生命在云层中找到了避难所。

在上个月发表的一篇论文中，西格和她的同事提出了一个假想的生命周期，这将使金星微生物能够在距离地表30到37英里（48到60公里）的高度存活。这个想法取决于微生物在包裹在硫酸云滴内的“孢子”中休眠，周期性地以酸雨的形式落到较低的云层，然后通过气流上升回到天空。

发现磷化氢

2016年，格里夫斯对金星上可能存在的云层生命感到好奇，于是着手寻找证据。她通过研究射电望远镜可以探测到的化学物质开始了她的探索。“她翻阅文献，发现了这种非常模糊的气体，它将是一个独特的生物特征，”西格在发布会上提到磷化氢时说，“它太模糊了——没有人关心它。”

2017年6月，格里夫斯获得了使用詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜（JCMT）的时间，这是一台位于夏威夷莫纳克亚山上的射电望远镜，她将其对准了自然发射无线电波的金星。她希望能在一个特定波长的光处发现亮度下降，那里会被云中的磷化氢吸收。

格里夫斯说：“我们花了大约18个月（的分析）才确信存在信号。”随后，他们于2019年3月使用智利强大的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）进行了后续观测，以更高的分辨率发现了相同的磷化氢信号。

来自两个不同设施的这些独立探测——浓度约为20ppb——让团队相信磷化氢信号是真实的。20ppb可能看起来不多，但由于磷化氢在暴露于紫外线阳光下时容易分解，研究人员表示，一定有某种东西在补充它。

那么磷化氢从何而来呢？

在地球上，磷化氢是由缺氧环境中的微生物产生的，这些环境对人类来说相当不愉快——例如，在企鹅的肠道内。如果没有生命，磷化氢的产生需要很高的温度和压力，并且通常需要氢源进行反应。但该团队认为金星无法提供所有这三个条件。然而，在富含氢气的木星和土星大气中检测到了磷化氢，它是在气态巨行星内部比金星上发现的条件极端得多的条件下产生的。

“磷化氢的存在告诉我们一些有趣的事情，”埃尔曼告诉《天文学》杂志，“要么是金星大气层的化学成分我们不了解，要么——这个说法更非同寻常——也许存在一个生物来源。”

一场大辩论

一些研究人员对探测本身持怀疑态度；也许该信号来自另一种伪装成磷化氢的化学物质。

西格说，这篇论文最初被《科学》杂志的审稿人以数据分析为由拒绝。但是，她补充说，该团队使用的技术是射电天文学的标准技术。（值得注意的是，期刊拒绝本身并不能说明太多问题，因为被著名期刊拒绝但最终获得诺贝尔奖的论文名单相当之长。）

化合物通常在多个波长处吸收，它们共同形成一个独特的、可识别的化学指纹。然而，该团队仅通过单个波长处的吸收来识别磷化氢——该波长也与二氧化硫共享。

这让一些研究人员感到犹豫。

“作为一名地球化学家，我总是担心仅凭一个峰值进行探测，”月球与行星研究所地球化学家贾斯汀·菲利伯托说，“单线是巧合，而不是探测。”美国宇航局艾姆斯研究中心（位于加利福尼亚州山景城）天体生物学家凯文·扎恩勒补充道。

新发现背后的团队同意，应该寻找更多的磷化氢谱线以确认其存在。但他们也争辩说，根据他们目前的观测结果，他们可以排除二氧化硫。他们说，如果它是来自二氧化硫的信号，应该存在其他的谱线，而他们确实探测到了。

这让一些人信服。然而，“我听说存在很多怀疑，包括来自期刊审稿人的怀疑，”牛津大学天体物理学家、BBC节目《夜空》主持人克里斯·林托特发推文称，“JCMT和ALMA并非旨在观测金星这样明亮的天体，这是一项困难的观测。”

但格里夫斯和曼彻斯特大学的射电天文学家安妮塔·理查兹“非常了解JCMT和ALMA，”林托特补充道，“我敢打赌这次探测是真的。”

模型之谜

如果磷化氢探测得到证实，那么团队模型中是否遗漏了某种非生物过程可以解释它？

研究人员尝试模拟金星复杂的化学大气，看看是否能解释他们探测到的磷化氢水平。但他们只能重现出比他们观测到的信号弱约千分之一的信号。更奇特的想法也未能奏效，包括闪电和陨石。（他们的完整建模分析的详细信息，由麻省理工学院的威廉姆斯·拜恩斯和雅努什·佩科夫斯基领导，正在一篇单独的论文中发表，目前正在同行评审中。）

该团队还认为，观测到的金星火山活动无法解释所有磷化氢。然而，菲利伯托认为这一结论可能为时过早。

在过去一年中，他与他人合著了两篇论文，报告了金星表面新鲜熔岩流的证据。这意味着这颗行星“比我们想象的火山活动更活跃，”他说，“我们不知道这些火山会喷出什么气体。”(一个独立的团队在苏黎世联邦理工学院和马里兰大学在七月份报告了金星火山活动的进一步证据。）

菲利伯托说，这些火山可能直接将磷化氢泵入大气层。它们也可能喷出氢气，这可能使大气中的磷酸在接近地表的高温下发生反应并形成磷化氢。“我认为我们现在不能否定这一点，并说它不可能是火山造成的，或者至少说火山不可能做出贡献，”他说。

金星的化学成分可能比预期更奇特，这也有着引人入胜的可能性。

“我认为团队在呈现一套一阶模型方面做得很好，”埃尔曼说，“但现在我们可以深入挖掘一点，考虑奇怪的化学反应。”例如，她说，也许模拟的化学反应在金星极酸性的环境中表现不同，或者空气在不同大气层之间以意想不到的方式移动。

话又说回来，鉴于我们对金星表面条件的了解甚少，也许这种化学反应并没有那么奇怪。“磷化氢很容易制造，”格拉斯哥大学无机化学家李·克罗宁发推文说。“岩石[可能]通过某种过程被抛向空中并在大气中发生反应，”他补充道。“可能性实在太多了……”

也存在磷化氢来自完全未知来源的可能性。约翰霍普金斯大学的行星科学家莎拉·霍斯特同样在推特上指出，在1980年代早期，天文学家在土星的卫星土卫六上探测到一氧化碳。数十年间，模型都未能解释这一发现。直到2008年，卡西尼号任务发现土星的另一颗卫星土卫二表面有裂缝，向太空中喷射水，有效地将其注入土卫六的大气层。研究人员此前并未将这种可能性纳入他们的模型中。

“你对一个大气层了解得越少，”霍斯特发推文说，“就越难用模型来得出关于它的结论，你就越需要谨慎地使用它。”

目前，磷化氢探测团队正在让其他社区消化他们的工作，并等待看是否有人能解释它。

“我第一次听说时，说实话，我也非常怀疑，”西格说。当团队的模型未能找到磷化氢的非生物学解释时，她承认心情复杂。“我甚至敢说，我们希望它消失，”她说，“没有人愿意声称有生命存在。”

“当我们得到更好的数据时，”西格补充说，“我最终不得不（说），‘哇，这是真的。’”

现在工作已经发表，团队已经准备好——甚至渴望——其他研究人员挑战他们的假设。但到目前为止，西格认为许多提出的批评团队已经在他们的分析中得到了解决。

“这个团队已经有几年时间……来消化、批评和自我批评了，”她说，“我们也有审稿人花了好几个月的时间提出更多的批评。所以，我们有很长一段时间来循环审视这些问题。看着大家在一两天内尝试消化这些，这很有趣，对吧？他们所有的问题都是合理和自然的，但他们确实需要阅读论文。”

金星任务？

许多科学家认为，明确确认磷化氢最直接的方法是前往金星进行采样。幸运的是，对于金星探测倡导者来说，一系列潜在任务已经在规划中。

美国宇航局资助了一个团队，研究金星旗舰任务的概念，其中包括在大气层中漂浮的气球，类似于1985年的欧洲/俄罗斯织女星任务。该团队的任务概念将作为正在进行的行星科学与天体生物学十年调查的一部分进行审议——这是一个每十年一次的过程，概述了该领域未来10年的资金优先事项共识。十年报告的有力建议，预计在2022年3月发布，是美国宇航局批准金星任务最可靠的途径。

美国宇航局目前还在考虑两项提案，它们将金星作为其低预算“发现级”任务计划的一部分：一个名为VERITAS的轨道器和一个名为DAVINCI+的大气探测器。菲利伯托是DAVINCI+团队的成员，他说探测器在穿越金星稠密大气层时可以直接探测到磷化氢。

美国宇航局局长吉姆·布里登斯汀周一也似乎支持金星探索，他在推特上写道：“现在是优先考虑金星的时候了。”布里登斯汀接着称金星上发现磷化氢是“迄今为止为地外生命提供证据的最重要进展”。

但不仅是NASA和学术界将目光投向金星；私人组织也一样。“突破倡议”，一个由俄罗斯科技巨头尤里·米尔纳创建的专注于搜寻地外生命的基金会，周二宣布，它正在资助一个由西格（包括埃尔曼和格林斯彭等人）领导的团队，调查向金星派遣新任务的可能性。

这项工作仍处于最初阶段，正式启动会议定于9月18日举行。尽管团队成员早前就签署了这项任务开发项目，但西格表示，她直到磷化氢论文发表前不久才能告诉他们。

西格的团队也一直在与私人航天公司Rocket Lab进行交流，该公司一直在独立地开展自己的金星任务，并雄心勃勃地计划最早于2023年发射。当Rocket Lab得知磷化氢探测结果后，该公司及其首席执行官彼得·贝克甚至提出为西格的团队提供前往金星的帮助。

Rocket Lab的助推器专为小型卫星设计，因此他们的航天器规模将小于NASA的旗舰任务。但一项快速、廉价且有针对性的任务可能会比NASA的任务提前数年。

而且，埃尔曼说，“你不需要一辆凯迪拉克飞船就能做好金星科学。”

虽然探测金星生命本身具有挑战性，但探测有机分子——生命的有力指标——“实际上并没有那么棘手。你可以相对直接地进行这种测量。你只需要在金星大气层中停留足够的时间。”

然而，格林斯彭不愿意在探测结果经过更多审查之前，将磷化氢作为金星任务的唯一动机。

“但是，如果它确实成立，”他说，“那么，是的，我们必须去看看那里发生了什么。”