JCMT望远镜观测:金星上可能存在生命

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天文学家在金星高云上发现一种名为磷化氢的罕见分子,这种分子在地球上只有透过工业方法才能制造得出来,或由在无氧环境中也能生存的微生物制造。

中央研究院天文及天文物理研究所研究成果發表,日期:2020年9月14日

天文学家在金星高云上发现一种名为磷化氢的罕见分子,这种分子在地球上只有透过工业方法才能制造得出来,或由在无氧环境中也能生存的微生物制造。 探测到磷化氢,几乎直指金星上有一种外星空漂生命存在的可能。 在《自然天文学》发表了论文的国际团队也指出,第一次发现到磷化氢似乎出现在他们所观测的金星光谱中时,他们惊呆了。

首度侦测到金星上有磷化氢是一项空前成果,研究者第一次侦测时所用的观测仪器是詹姆士-克拉克-麦克斯威尔望远镜(英文简称为JCMT),该望远镜位在夏威夷,运作管理由天文东亚台负责,中研院天文所是东亚天文台的创始机构之一。

中研院院士贺曾朴,东亚天文台台长表示:「东亚天文台的JCMT望远镜近年取得几项非常出色的成果,像是M87 黑洞影像和金星上的磷化氢等这些天文重要进展,持续发挥出观测毫米及次毫米波频段的重要潜力其中尤其重要的是,JCMT望远镜,能和ALMA及「事件视界望远镜」等,一起携手合作,得到加乘效能。 」

事件视界望远镜英文简称为EHT,为观测到史上第一张黑洞影像的全球级阵列望远镜;ALMA的全名是阿塔卡玛大型毫米及次毫米波阵列望远镜

   

图一:在局部放大的方格中,是插画家笔下的磷化氢分子。 在金星高层云上的磷化氢分子,已由JCMT望远镜和ALMA望远镜侦测发现。 金星上的高云可能适合微生物生存的假说,天文学界已流传几十年,在金星上探测到磷化氢分子,可能直指着金星上有一种空漂型外星生命。版权:ESO/M. 科恩梅瑟/L.卡尔萨达和美国宇航局/JPL/Caltech

关于金星上的高云可能适合微生物生存的假说,天文学界已流传几十年,大家可能耳闻。 这种推测假设了微生物能漂浮在金星炙热的表面上–微生物既可接触到水,也有阳光,不过,必须极度耐酸。 最近在金星上探测到磷化氢分子,就可能直指着金星上有一种「空漂型」外星生命。

取得这项成果的研究团队在当初第一次侦测到磷化氢时,所用的望远镜,即为JCMT望远镜,随后他们也用了位于南美洲智利的ALMA望远镜,动用阵列望远镜中的45座望远镜来进一步确认。 两座望远镜都是在1毫米左右的波长下观测金星。 毫米级的波长在电磁频谱中算是很长的波,人眼看不到,属于电波频段,特别必须要是位在高海拔地点的望远镜才能加以有效侦测。 而基本上,「两座望远镜观测到的结果是一致的,」论文第一作者Jane S. Greaves表示:「也就是,由后方较温暖的云气在发出背景光为磷化氢气体衬映,我们用对的波长观测时,磷化氢气体就显现出了黯淡的吸收谱线。 」 。

值得一提的是,JCMT和ALMA这两个望远镜都曾参加史上第一个黑洞影像观测。 而且中研院都有仪器设计及制作的贡献。

图二:金星和所侦测到的磷化氢分子谱线,橘色线条是ALMA望远镜所侦测的,白色线条是JCMT望远镜侦测的。

左下方的望远镜阵列是ALMA的素描,右下方的是JCMT望远镜的素描。图像版权: Joanna Pętkowska博士。

为了查明磷化氢的来源是不是金星上自然过程形成的,研究团队跑了一系列的计算,这部分的理论构念因素有:阳光、有矿物质从地表被向上喷吹、火山、闪电等。 但计算结果发现,若单靠这些因素制造出的量,显然少到不行,还不到望远镜所观测到的量的万分之一。 另一方面,该团队也发现到,望远镜所观测到的磷化氢的量,若靠地球上的有机物来制造,只需其最大产能的10%就能达到。 但金星上若是有微生物的话,和地球上的微生物仍可能存有很大差异。 我们已知的是地球上的细菌会吸收磷酸盐矿物质,添加氢,最终释放出磷化氢气体。

研究团队中有一位成员Clara Sousa Silva,她的研究专长是以磷化氢来当「生物特征」气体,希望探讨太阳系外恒星周围行星上,有无不需氧也可生存的外星生命的个案存在,因为普通化学下制造出来的磷化氢,量太少。 她说:「在金星上发现磷化氢是一个意外的收获! 这一发现带来许多问题:包括生物如何在那样的环境下生存。 地球上,有一些微生物是可以在酸性低于5%的环境中生存,但金星上的云层几乎是全酸性。 」 。

该团队认为这一发现意义重大,因为他们的研究分析已可将在金星上能制造磷化氢的其他多种方法排除,但团队也表示,要确认到金星上有生命存在,需要做的工作还很多。 尽管金星上的高空云层温度达到了令人舒适的摄氏30度,但其酸性之强令人难以想象——大约浓度90%的硫酸——对微生物在那里如何生存,这是重大问题。 针对这部分,该团队有两位麻省理工学院的研究人员正在研究,微生物如何在为数稀少的小水滴中保护自己。

接下来的后续研究,如果能取得更多望远镜观测时间,就能确定磷化氢是否是存在于云层中相对温和的环境,并可寻找其他与生命有关的气体。 这个结果对搜寻太阳系外生命起源等研究也颇具意义。

JCMT副台长Jessica Dempsey表示:「这项发现是用JCMT这种单像素仪器完成的,结果好得令人难以置信」,「在金星大气中发现磷化氢,这明确显示天文学家可以用JCMT望远镜进行广泛的尖端研究。 我为夏威夷全体员工的努力感到高兴。 」

侦测到磷化氢的JCMT相关仪器现已退休,由更新且灵敏度更高的仪器加以代替,新仪器按夏威夷语命名为Nāmakanui,意思是「大眼鱼」,是在黑暗海域中猎捕食物的一种鱼,JCMT副台长Jessica Dempsey表示,这项发现只是个开始,他们还会用灵敏度更高的「大眼鱼」仪器对金星展开新观测,继续在宇宙中寻找生命。

論:金星云甲板上的磷發於[學]

相关论文数据 :

團隊員:简·格里夫斯(英国卡迪夫大学)、安妮塔·理查兹(英国曼彻斯特大学乔德雷尔银行天体物理学中心)、威廉·贝恩斯(美国麻省理工学院)、保罗·里默(地球科学和卡文迪什天体物理学系)、剑桥大学和英国剑桥大学分子生物学MTC实验室)、佐川藏身(日本京都桑约大学)、大卫·L 克莱门茨(英国伦敦帝国学院)、萨拉·西格(美国麻省理工学院)、亚努兹·佩特科夫斯基(美国麻省理工学院)、克拉拉·苏萨-西尔瓦(美国麻省理工学院)、苏克里特·兰詹(麻省理工学院)、艾米莉·德拉贝克-曼德(英国格林威治皇家天文台)、海伦·弗雷泽(英国开放大学)、安娜 贝尔·卡特赖特(英国卡迪夫大学)、英戈·穆勒-沃达格(英国帝国学院)、詹竹昌(美国麻省理工学院)、佩尔·弗里伯格(EAO/JCMT)、伊恩·库尔森(EAO/JCMT)、埃丽莎·李(EAO/JCMT)和吉姆·霍格(EAO/JCMT)。

詹姆斯-克拉克–麦克斯威尔望远镜,以纪念数学物理学家 James Clerk Maxwell而命名,英文全名为The James Clerk Maxwell Telescope,英文简称为JCMT,自2015年开始成为天文东亚台 (EAO) 的一员,台长为贺曾朴院士。 该望远镜位于夏威夷的毛纳基峰上,标高4092米,碟面口径有15米,是全世界最大、专为研究次毫米波而设计的单碟望远镜,科学家用它来研究太阳系、环星及星际气体埃、演化后期恒星及遥远星系等。

詹姆士–克拉克–麦克斯威尔望远镜由东亚天文台运营,天文台成员包括中央研究院天文及天文物理研究所、中国科学院天文大科学研究中心(中国国家天文台、紫金山天文台、上海天文台)、韩国天文太空研究院、日本国立天文台。 中国的国家重点研发计划、STFC、英国及加拿大的数所大学也提供部分经费。

「大眼鱼」仪器是由中研院天文所设计出资制造的,部分混频器由中研院天文所提供经费,230GHz频段的接收机则由东亚天文台出资。 同时,大眼鱼也是格陵兰望远镜的备用接收机。

阿塔卡玛大型毫米及次毫米波阵列望远镜:是国际大型合作计划,由东亚,北美,欧洲三大地区伙伴、与智利共和国合作。 望远镜阵列有 54 座口径宽 12 米的天线以及 12 座 7 米的天线,总共 66 座天线一起协同工作。 每个天线个别收集来自太空的辐射,并将讯号聚焦在天线上的接收机上。 然后从所有天线取得的信号经专用的超级计算机加以处理,再最后汇总在一起。

66 座ALMA天线可用不同的配置法排成阵列,天线间的距离变化多样,最短可以是150米,最长可以到16公里。 如果与过去所有的望远镜系统作比较,ALMA 在毫米次毫米波段上能看到更暗的天体,同时能得到更高的影像分辨率。

图三:照片中的JCMT 望远镜正准备开始上午观测,后方是毛纳基峰,JCMT是观测「次毫米波段」的「电波望远镜」,在白天也可进行观测。图像版权:Tom Kerr/UKIRT。

中译:黄珞文。

审校:中央研究院天文及天文物理研究所副研究员 吕圣元。

原文链接:https://sites.google.com/asiaa.sinica.edu.tw/newsite/chinese/20200914

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