Еще раз о фосфине. Предполагать наличие жизни на Венере преждевременно

Одним из самых больших сюрпризов в истории планетологии стало исследование, проведенное в сентябре 2020 года, в котором было объявлено о наличии газа фосфина в облачных слоях Венеры - дразнящий намек на возможные биологические процессы планеты, пишет Forbes.

Фосфин (PH3), который химически похож на аммиак (NH3), производится на Земле естественным образом только в результате биохимических процессов. На Венере с помощью анализа спектров с двух мощных телескопов ALMA и JCMT его концентрация была определена около 20 ppb (частей на миллиард).

Именно это открытие позволило сделать захватывающее допущение о том, что облака Венеры являются "домом" для жизни, и что эти биологические формы производят фосфин. Правда, стоит отметить, что фотохимические, химические и геохимические процессы были сочтены недостаточными для производства этих уровней фосфина.

И что, это и есть жизнь? Возможно. Но только при условии, что фосфин действительно присутствует. Однако новое исследование ставит этот факт под сомнение.

Еще в сентябре группа ученых во главе с профессором Джейн Гривз объявила об открытии фосфина, применив в астрономии хорошо известную и довольно простую технику:

• они измеряли свет в радиочасти спектра,
• смоделировали известные компоненты и условия атмосферы из предыдущих наблюдений,
• сделали прогноз того, какие сигналы должны появиться, когда свет разобьется на отдельные длины волн,
• спрогнозировали, какие функции должны присутствовать (или отсутствовать), если фосфин действительно существует на Венере,
• а также спектроскопически разбили свет, чтобы исследовать его и определить количество фосфина.

Если этот анализ был проведен правильно, значит, фосфин действительно должен там существовать. В результате это исследование сразу же вызвало бурю предположений.

Как этот фосфин мог образоваться? Что могло быть причиной его присутствия, особенно сильным в средних широтах и на высотах от 40 до 60 км - в или около "умеренной зоны" на Венере, где температура и атмосферное давление схожи с таковыми на поверхности Земли?

На Земле фосфин существует естественным образом, поскольку его производят бактерии в анаэробной среде. Атмосфера Венеры - анаэробная, однако механизмы, которые ее создают в газовых гигантах, таких как Юпитер и Сатурн, не работают в условиях Венеры. На Земле ее можно создавать искусственно с помощью контролируемых химических реакций, но к Венере эти условия не применимы.

Как предположила группа исследователей, это произошло из-за организмов в облачных слоях Венеры, которые могли бы производить достаточно фосфина, если бы их плотность была близка к пределу максимально возможного.

Но есть и другое объяснение, которое необходимо рассмотреть. Возможно, в том, как анализировались данные, есть какая-то ошибка, если это действительно так, тогда на Венере фосфина все-таки нет.

Но перед тем, как перейти к размышлениям о том, что могло быть причиной существования этой молекулы, обязательно необходимо исключить возможность того, что анализ мог привести к ошибочному выводу.

Первое, что нужно сделать - это посмотреть на более старые данные от миссий, которые исследовали атмосферу Венеры в прошлом. В 1978 году был запущен большой нейтральный масс-спектрометр Pioneer-Venus, который измерял массы нейтральных газов в облаках Венеры.

Как выяснилось, они были чувствительны к газам на расстоянии 50-60 км, в зоне, где последние данные подтверждают существование фосфина.

Менее чем через 2 недели после объявления о фосфине команда повторно изучила эти данные. Разбив компоненты атмосферы Венеры по массе, они обнаружили, что в ней безоговорочно присутствует:

• атомарный фосфор (P),
• сигнал, указывающий либо на фосфин (PH3), либо на его гибрид с сероводородом (H2S),
• а также дейтерированный фосфин (PH2D), где один из атомов водорода имеет в своем ядре нейтрон.

Ранний признак фосфина был отнесен к сероводороду, но повторный анализ предполагает, что он также может составлять часть или даже весь этот сигнал. Так что старые данные не дают нам ни малейшего шанса, но и не отрицают существование фосфина.

А как насчет других исследований? Наблюдения за Венерой велись в инфракрасной части спектра в течение многих лет, и это выявило другой набор молекулярных сигнатур, чем показывают радионаблюдения: зондирование верхних слоев облаков атмосферы Венеры. С 2012 года эти наблюдения позволили определить присутствие и распределение, как диоксида серы (SO2), так и молекул воды (H2O).

Если фосфин присутствует на Венере и был произведен с помощью механизма, предложенного авторами, он должен время от времени подниматься до верхней границы облаков, проявляясь в инфракрасном спектре.

Изучая данные за многие годы, группа ученых, в список авторов которой входит и сама профессор Джейн Гривз, в марте 2015 года обнаружила только одно окно, в котором возникает спектральная сигнатура, соответствующая фосфину.

"Из-за отсутствия какой-либо функции на этой частоте, мы получаем верхний предел в 5 ppb…", это означает, что они не одобряют выводы, сделанные на основе радиоданных и вместо этого считают, что: "Наш верхний предел несовместим с постоянным соотношением смешивания 20 ppb по всей мезосфере".

Но самым прямым опровержением было бы, если бы оказалось, что высококачественные данные ALMA, которые на сегодняшний день являются наиболее убедительными доказательствами наличия фосфина, в конце концов, не указали на его присутствие.

Это было бы действительно замечательным опровержением, поскольку первоначальное исследование утверждало, что обнаружило спектральную линию, которая однозначно согласуется с фосфином на абсурдно высоком уровне в ~15 σ (сигма).

19 октября 2020 года статья была отправлена в arXiv - бесплатный архив электронных публикаций научных статей и их препринтов по физике, математике, информатике, астрофизике и биологии. Проведя независимый повторный анализ исходных данных ALMA, они не обнаружили никаких следов такого сигнала с какой-либо сравнимой достоверностью.

Их выводы можно суммировать в двух пунктах:

• в том, как первоначальная команда работала с данными, была ошибка, которая приводила к ложным сигналам,
• когда они (правильно) обрабатывали данные, самый "уверенный" сигнал, возникающий даже не при ~ 2 σ, квалифицируется как отсутствие обнаружения.

Давайте рассмотрим каждый пункт немного подробнее:

Что обычно происходит, когда астрономы проводят на планете спектроскопию:

• их приборы принимают данные,
• эти данные обрабатываются в соответствии со сценарием обработки, конкретно для этого инструмента,
• там, где инструмент барахлит, от данных избавляются,
• данные "связывают", собирая их в ряд узких последовательных интервалов,
• вычитывают континуум,
• вокруг области, где ожидается появления сигнала, моделируется инструментальная рябь,
• вычитывается наилучшее соответствие моделируемой области из области интереса,
• а затем анализируется то, что осталось, чтобы найти наличие или отсутствие определенных сигнатур.

Проблема в том, что предпоследний шаг хоть и мощный, но потенциально опасный. В общем, астрономы надеются удалить шумовые структуры и инструментальные эффекты, оставив при этом реальные спектральные характеристики нетронутыми.

Именно так поступила оригинальная команда (Greaves et al.) и именно так они пришли к обнаружению фосфина. Но группа повторного анализа, возглавляемая Игнасом Снелленом, обнаружила, что метод, используемый командой Greaves et al. приводит к серьезным переоценкам значимости спектральных признаков и искусственным результатам. Другими словами, заявленное обнаружение фосфина ненадежно, и они продолжают объяснять почему.

Без правильной техники анализа сигнал обнаружения "исчезает". Согласно статье Снеллена, процедура, которой следуют Greaves et al. - неверна и приводит к ложным линиям с высоким отношением сигнал-шума.

Вместо этого его команда утверждает, что ответственней обрабатывать данные с помощью более мягкой процедуры удаления шума, такой, которая не приведет к ошибочным результатам. Когда это будет сделано, отношение сигнал-шума составит всего лишь коэффициент ~ 2, а без какого-либо удаления - ~ 1.

"В астрономии особенности с таким низким отношением сигнал -шума обычно считаются статистически не значимыми", - отметила команда Снеллена.

Так что же это все значит? Это означает, что первоначальное обнаружение фосфина командаой Greaves et al, оказывается под огромным сомнением. Если они проанализировали свои данные ненадлежащим образом, как заявляется в новой работе, то эта химическая сигнатура может и не присутствовать.

Эта новая статья все еще нуждается в рецензировании, и есть подозрения, что первоначальная команда сама проведет повторный анализ, чтобы увидеть, к каким выводам они придут.

Несмотря на экстраординарное заявление, у Венеры нет доказательств того, что она является биологически активным миром. Если этот новый анализ будет опровергнут, а первоначальная работа не будет подтверждена, идея фосфина на Венере может оказаться такой же мертвой, как и сама планета.