مادة كيميائية لا ينبغي رصدها في الغلاف الجوي لكوكب الزهرة

اليوم ، يعلن الباحثون أنهم لاحظوا مادة كيميائية في الغلاف الجوي لكوكب الزهرة ليس لها الحق في التواجد هناك. المادة الكيميائية ، الفوسفين (ذرة الفوسفور مرتبطة بثلاثة هيدروجين) ، ستكون غير مستقرة في الظروف الموجودة في الغلاف الجوي لكوكب الزهرة ، ولا توجد طريقة واضحة لكيمياء الكوكب لتكوين الكثير منه.

هذا يؤدي إلى الكثير من التكهنات حول الاحتمال غير المحتمل بنفس القدر للحياة بطريقة ما في الغلاف الجوي العلوي لكوكب الزهرة. لكن الكثير عن هذا العمل يتطلب مدخلات من أشخاص غير مشاركين في الدراسة الأولية ، والتي من المرجح أن يثيرها منشور اليوم. في حين أن هناك أسبابًا مؤكدة للاعتقاد بوجود الفوسفين على كوكب الزهرة ، فإن اكتشافه يتطلب بعض التحليلات الحاسوبية المعقدة. وهناك بالتأكيد بعض الكيميائيين المبدعين الذين يريدون إعادة التفكير في الكيمياء الممكنة لأقرب جار لنا.

ما هو الفوسفين؟

الفوسفور هو صف واحد تحت النيتروجين في الجدول الدوري. ومثلما يمكن للنيتروجين أن يتحد مع ثلاث ذرات هيدروجين لتكوين الأمونيا المألوفة ، يمكن للفوسفور أن يرتبط بثلاثة هيدروجين لتكوين الفوسفين. في ظل ظروف شبيهة بالأرض ، يعد الفوسفين غازًا ، لكنه ليس غازًا لطيفًا: إنه شديد السمية ويميل إلى الاحتراق تلقائيًا في وجود الأكسجين. وهذه الميزة اللاحقة هي السبب في أننا لا نرى الكثير منها اليوم ؛ إنه ببساطة غير مستقر في وجود أي أكسجين.

نحن نصنع بعضًا منه لاستخداماتنا الخاصة. وبعض الميكروبات التي تعيش في بيئات خالية من الأكسجين تنتجها أيضًا ، على الرغم من أننا لم نحدد العملية الكيميائية الحيوية التي تفعل ذلك ولا الإنزيمات المعنية. ومع ذلك ، فإن أي فوسفين ينجح في الهروب إلى الغلاف الجوي يتحول بسرعة إلى الأكسجين ويتلف.

هذا لا يعني أنه غير موجود على الكواكب الأخرى. عمالقة الغاز مثل المشتري يمتلكونه. لكن لديهم أيضًا وفرة من الهيدروجين في غلافهم الجوي ولا يوجد أكسجين ، مما يسمح للمواد الكيميائية مثل الفوسفين والميثان والأمونيا بالبقاء في الغلاف الجوي. وتوفر الحرارة الشديدة والضغط الأقرب إلى قلب عملاق الغاز الظروف التي يمكن أن يتشكل فيها الفوسفين تلقائيًا.

لذلك لدينا فجوة واضحة بين عمالقة الغاز ، مع أجواء غنية بالهيدروجين حيث يمكن أن يتشكل الفوسفين ، والكواكب الصخرية ، حيث يجب أن تضمن البيئة المؤكسدة تدميرها. لهذا السبب ، اقترح الناس أن الفوسفين قد يكون توقيعًا حيويًا يمكننا اكتشافه في الغلاف الجوي للكواكب الصخرية: نعلم أنه ينتج عن الحياة على الأرض ومن غير المرجح أن يكون موجودًا على هذه الكواكب ما لم يتم استبداله باستمرار. هكذا انتهى الأمر ببعض الباحثين إلى توجيه تلسكوب إلى الغلاف الجوي لكوكب الزهرة.

أبحث عن علامات

على وجه التحديد ، تحول الباحثون إلى 15 مترا تلسكوب جيمس كليرك ماكسويل تلسكوب في هاواي. إن JCMT قادر على تصوير الأطوال الموجية حول ملليمتر واحد ، وهو أمر مثير للاهتمام لجو كوكب الزهرة. ينتج الغلاف الجوي السفلي الحار لكوكب الزهرة وفرة من الإشعاع في هذه المنطقة من الطيف. ويمتص الفوسفين بطول موجي معين في المنطقة. لذلك إذا كان الفوسفين موجودًا في الغلاف الجوي العلوي ، فإن وجوده يجب أن يخلق فجوة في موقع معين في فيضان الإشعاع الناتج عن الغلاف الجوي السفلي لكوكب الزهرة.

من حيث المبدأ ، هذه ملاحظة بسيطة للغاية. ومع ذلك ، في الواقع ، إنه نوع من كابوس ، فقط لأن المستويات منخفضة للغاية. هنا على الأرض ، حيث نعلم أن الفوسفين مصنوع ، فإن مستوى الحالة المستقرة في الغلاف الجوي يكون في منطقة جزء لكل تريليون لأنه يتم تدميره بسرعة كبيرة. يتحرك كوكب الزهرة أيضًا بالنسبة إلى الأرض ، مما يعني أن موقع أي إشارات يحتاج إلى تعديل لحساب تحول دوبلر. أخيرًا ، ستكون أي إشارة معقدة أيضًا بسبب ما يسميه الباحثون “التموجات” ، أو الحالات التي تعرضت فيها أجزاء من الطيف للانعكاس في مكان ما بين الزهرة والتلسكوب.

هذه تتطلب معالجة حاسوبية مكثفة لبيانات التلسكوب. ولكن ما أثار دهشة العلماء أن هذا التحليل يظهر وجود الفوسفين. (في ورقتهم ، كتب الباحثون ، “كان الهدف معيارًا للتطورات المستقبلية ، ولكن بشكل غير متوقع ، اقترحت ملاحظاتنا الأولية قدرًا يمكن اكتشافه من PH Venusian PH₃ كان حاضرًا. “) لذلك كان لديهم شخص آخر كرر التحليل بشكل مستقل. كانت الإشارة لا تزال موجودة. وأكد الباحثون أيضًا أن نهجهم كان قادرًا على اكتشاف الماء باستخدام الديوتيريوم ، وهو نظير للهيدروجين ، والذي نعرف أنه موجود في الغلاف الجوي كوكب الزهرة واستبعدوا أيضًا احتمال أنهم أخطأوا في التعرف على خط امتصاص ثاني أكسيد الكبريت القريب.

مع استبعاد المشاكل الواضحة ، حصلوا على الوقت على التلسكوب الثاني. كان هذا التلسكوب الثاني هو مصفوفة أتاكاما كبيرة المليمتر، أو ALMA. لديها قدرة تحليلية أفضل بكثير ، مما يسمح للباحثين بمعاملة الزهرة على أنها أكثر من مصدر نقطة للضوء. أكد هذا أن إشارة الفوسفين كانت لا تزال موجودة وأكثر كثافة عند خطوط العرض الوسطى بينما تبدو غائبة عن القطبين وخط الاستواء. هذا يعني أنه موجود في المواقع التي يوجد بها دوران جوي أكثر من أعلى إلى أسفل.

استنتج الباحثون في النهاية أن الفوسفين موجود بمستويات في حدود 20 جزءًا في المليار.

كيف وصل هذا للعالم؟

بافتراض أن هذا التحليل صمد ، فإن السؤال الكبير هو كيف وصل الفوسفين إلى هناك. قدر الباحثون مدى سرعة تدميره بسبب الظروف في الغلاف الجوي لكوكب الزهرة ، واستخدموا ذلك لحساب كمية الفوسفين التي يجب إنتاجها للحفاظ على مستويات 20 جزءًا لكل مليار. ثم ذهبوا للبحث عن نوع من التفاعلات الكيميائية التي يمكن أن تنتج الكثير.

حسنًا ، ليس هناك عدد كبير من الخيارات الجيدة. في ظل الظروف السائدة في الغلاف الجوي ، يتأكسد كل من الفوسفور والهيدروجين ، ولا يوجد الكثير من أي منهما. في حين أن الإشعاع الشمسي يمكن أن يحرر بعضًا من الهيدروجين الموجود ، إلا أنه سيكون بطيئًا جدًا ، وستشير الديناميكا الحرارية إلى أنه من المرجح أن يتفاعل مع شيء آخر غير الفوسفور. وبالمثل ، فإن مسارات التفاعل القائمة على النشاط البركاني المحتمل لكوكب الزهرة ستقصر عن إنتاج ما يكفي من الفوسفين بعوامل تبلغ حوالي مليون.

كل هذا يقود الباحثين إلى نتيجة محبطة إلى حد ما: “إذا لم تكن هناك عملية كيميائية معروفة يمكن أن تفسر PH3 داخل الغلاف الجوي العلوي لكوكب الزهرة ، فيجب أن يتم إنتاجها من خلال عملية لم تُعتبر سابقًا معقولة لظروف كوكب الزهرة.” من الواضح ، مع ذلك ، أن أحد الأشياء غير المعقولة التي يجب أخذها في الاعتبار هو السبب الكامل وراء بحث الناس عن الفوسفين في المقام الأول ، أي أنه يمكن إنتاجه عن طريق الكائنات الحية.

لكن لا يوجد نقص في اللامعقولية المرتبطة بالحياة على كوكب الزهرة. لا شيء يمكننا التعرف عليه على أنه يمكن للحياة أن يعيش على سطح كوكب شديد الحرارة يغمره ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج. درجة الحرارة في الغلاف الجوي العلوي ، حيث تنشأ بصمة الفوسفين ، أكثر اعتدالًا. لكنه سيتطلب شكلاً من أشكال الحياة التي تدور باستمرار في الغلاف الجوي العلوي وتعيش بطريقة ما على اتصال مع سحب حمض الكبريتيك على الكوكب.

غير مقتنع

لذلك تركنا في مكان حرج. قال أحد الباحثين الذين قادوا هذا العمل ، “لقد استغرق الأمر حوالي 18 شهرًا لإقناع أنفسنا بوجود إشارة”. يمكنك أن تتوقع أن يقضي بقية المجال الآن بعض الوقت في محاولة إقناع نفسه أيضًا ، ربما من خلال توجيه مجموعة كاملة من التلسكوبات الإضافية إلى كوكب الزهرة. في غضون ذلك ، سيحاول الكيميائيون التفكير في مسارات تفاعل إضافية يمكن أن تعمل في ظل ظروف شبيهة بالزهرة.

هناك فرصة معقولة لأننا سنبلغ عن نتائج هذه الجهود قبل وقت طويل جدًا ، مشيرًا إلى أنه لا يوجد شيء غير عادي يحدث على الكوكب الثاني من الشمس. ولكن إذا لم يحدث ذلك في نهاية المطاف ، فسوف يعطي دفعة كبيرة للجوقة الثابتة من الأصوات التي كانت تجادل بأننا بحاجة إلى بذل المزيد من الجهد لاستكشاف كوكب الزهرة. تم طرح بعض الخطط حول المناطيد التي يمكن أن تقضي فترات طويلة في التحرك حول الغلاف الجوي العلوي لكوكب الزهرة. في حالة استمرار هذه النتائج ، يبدو أن المناطيد هي الوسيلة المثالية لمعرفة ما ينتج هذه المادة الكيميائية.

علم الفلك الطبيعي ، 2020. DOI: 10.1038 / s41550-020-1174-4 (حول DOIs).