相比金星的磷化氫，火星上的甲烷更出名丨奔·火

作者：陳岳松（中國科學(xué)院月球與深空探測總體部 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心）

文章來源于科學(xué)大院公眾號（ID：kexuedayuan）

——

日前，“金星大氣中發(fā)現(xiàn)磷化氫”的消息引起了大家的關(guān)注。雖然后續(xù)研究對其提出了強(qiáng)烈質(zhì)疑，但是這一事件足以說明，人們對于尋找外星生命跡象的興趣有多大，只是一些“標(biāo)志性氣體”的痕跡，就足以“刷屏”。

不過，相比金星的“磷化氫”，火星上的甲烷更出名，畢竟科學(xué)家已經(jīng)不止一次宣布在火星上發(fā)現(xiàn)了甲烷。

最近的一次是2019年6月23日，美國國家航空航天局（NASA）稱“好奇號”在火星上發(fā)現(xiàn)了“令人吃驚的高含量甲烷”，即濃度約為十億分之二十一的甲烷氣體，這個(gè)結(jié)果讓NASA的科學(xué)家們都非常興奮，暫時(shí)中止了“好奇號”的其它探測任務(wù)，全力以赴探測甲烷的來源。人類又一次捕捉到了代表生命的精靈，這意味著我們與火星生命更近了一步。

甲烷與生命有什么聯(lián)系？

我們是不是孤獨(dú)地生活在這個(gè)宇宙中，其他星球上有沒有生命？

人類一直在尋找外星生命，火星一直被認(rèn)為是存在生命的。在尋找火星生命痕跡的研究中，火星甲烷是一個(gè)備受關(guān)注的領(lǐng)域，因?yàn)樗恢北豢醋魇巧钚缘臉?biāo)志。在地球上，90%以上的甲烷是由微生物和其他有機(jī)體產(chǎn)生的，可以說我們每個(gè)人都和甲烷打過交道。比如，牛是一種反芻動(dòng)物，在消化牧草的過程中會產(chǎn)生甲烷，通過“打嗝”“放屁”排放到大氣中，大面積種植水稻也會產(chǎn)生甲烷，夏日湖底的淤泥經(jīng)常冒出氣泡，實(shí)際上是湖底的微生物排出的甲烷氣體。當(dāng)然，少量的甲烷也可以通過地質(zhì)過程產(chǎn)生，如沒有生物參與的地?zé)岱磻?yīng)。

地球大氣中所有甲烷的濃度約為十億分之十八的體積，對比一下火星的十億分之二十一，可見“好奇號”發(fā)現(xiàn)的甲烷濃度是相當(dāng)驚人的。

甲烷的產(chǎn)生和分解過程 （圖片來源：NASA）

很多科學(xué)家認(rèn)為，在火星的早期，約40億年前，火星可能是一個(gè)溫暖濕潤，適宜生物生存的星球。如果那時(shí)候火星上曾經(jīng)出現(xiàn)過生命，甚至是復(fù)雜生命，即便經(jīng)歷了漫長的演化，也一定會留下生命的痕跡，甚至可能還有古老的微生物至今仍在火星地下某個(gè)地層中繼續(xù)繁衍生息，若如此，釋放出甲烷就是必然的了。

甲烷是不穩(wěn)定的，太陽紫外線的照射會讓甲烷迅速分解，大約需要12年的時(shí)間，陽光就能把空氣中的甲烷分解消失，這意味著一旦發(fā)現(xiàn)甲烷，就一定是最近釋放出來的，不管它是來自生命過程還是非生命過程，因此甲烷在火星生命探索中是非常重要的標(biāo)志。

這不是科學(xué)家第一次宣布火星發(fā)現(xiàn)甲烷，肯定也不是最后一次。它在火星上忽隱忽現(xiàn)，像一個(gè)無法抓住的精靈，時(shí)而出現(xiàn)在人們的視野，時(shí)而又消失的無影無蹤，一次又一次撩撥著人們對火星生命好奇的心。

火星上曾發(fā)現(xiàn)過甲烷嗎？

第一次宣稱發(fā)現(xiàn)火星甲烷是在2004年，歐洲航天局“火星快車號”軌道探測器科學(xué)小組宣布，探測器搭載的攝譜儀在火星大氣層中發(fā)現(xiàn)了甲烷，這在當(dāng)年是一個(gè)轟動(dòng)的新聞，甲烷的發(fā)現(xiàn)對于尋找外星生命的科學(xué)家來說是巨大的鼓舞。但“火星快車號”報(bào)告的甲烷含量極低，只有大約十億分之一，基本處于儀器探測精度的邊緣上，因此許多研究人員認(rèn)為甲烷可能是設(shè)備錯(cuò)誤數(shù)據(jù)造成的假象。

2009 年，NASA的一位科學(xué)家宣稱，他們利用地球上的望遠(yuǎn)鏡，觀測到了火星上正在釋放甲烷的現(xiàn)象，在火星地表的特定區(qū)域有甲烷流定期噴射而出。但這些結(jié)論隨后也遭到了質(zhì)疑，有科學(xué)家認(rèn)為發(fā)現(xiàn)的甲烷可能是地球大氣環(huán)境的影響，地球環(huán)境干擾了天文望遠(yuǎn)鏡的觀測數(shù)據(jù)。

火星上到底有沒有甲烷？這成了有關(guān)火星的眾多未解之謎中最令人著迷的問題之一。就是在這樣的背景下，2011 年 11 月 26 日，以尋找火星生命存在的證據(jù)為重要目標(biāo)的“好奇號”——由12歲華裔小女孩馬天琪（Clara Ma）命名的火星車——發(fā)射升空，經(jīng)過了八個(gè)半月的長途跋涉，終于與火星會合。

2012 年 8 月 6 日，“好奇號”火星車成功在火星蓋爾隕石坑著陸，帶著全世界最先進(jìn)的質(zhì)譜儀踏上了火星的茫茫大地，科學(xué)家們期待著“好奇號”揭開火星甲烷之謎。起初，它在火星大氣中發(fā)現(xiàn)的甲烷濃度不到十億分之一，可以說是一無所獲。

2013-2014年，“好奇號”在其周圍的大氣層中測量了甲烷的十倍峰值，研究人員在20個(gè)月的時(shí)間里，進(jìn)行了十二次采樣，以嗅探大氣中的甲烷，尤其在2013年末和2014年初的兩個(gè)月中，測量結(jié)果平均為十億分之七，在此之前和之后的平均讀數(shù)僅為該水平的十分之一，這個(gè)重大發(fā)現(xiàn)讓一些行星科學(xué)家激動(dòng)難眠。但也有質(zhì)疑者認(rèn)為“好奇號”本身就可能攜帶甲烷。針對質(zhì)疑，“好奇號”團(tuán)隊(duì)仔細(xì)檢查了所有可能污染甲烷的“好奇號”部件和它穿過地區(qū)的巖石樣本，反復(fù)核實(shí)后，他們宣布“好奇號”監(jiān)測到的甲烷氣流確實(shí)是發(fā)生在它所在位置附近某處的神秘進(jìn)程的跡象。

為了解開火星生命之謎，也為了徹底弄清火星甲烷之謎，歐洲航天局和俄羅斯航天局聯(lián)手制定了ExoMars計(jì)劃，其最主要的科學(xué)目標(biāo)之一就是探測和分析火星大氣層組分，特別是對甲烷的探測。ExoMars搭載的氣體跟蹤軌道器（TGO）由兩個(gè)光譜儀獨(dú)立組成，這些儀器的靈敏度可以達(dá)到萬億分之五十，比以往的高出許多，研究團(tuán)隊(duì)相信，哪怕火星大氣中僅存在非常微量的甲烷分子，探測儀也能夠檢測到它們。

2016年TGO到達(dá)火星軌道，開展了火星大氣成分的探測，然而，如此高靈敏度的儀器經(jīng)過2年的工作，沒能探測到火星甲烷的存在。2018年12月，研究團(tuán)隊(duì)宣布了一個(gè)令大家失望的消息——TGO沒有在火星大氣層中發(fā)現(xiàn)甲烷的痕跡。盡管如此，科學(xué)家們依舊比較認(rèn)可先前的火星甲烷探測數(shù)據(jù)，如果甲烷是從火星土壤中溢出，而不是來自大氣，那么火星地面的探測器會比TGO這樣的軌道飛行器更適合探測甲烷。

在這之前，2018年6月的《科學(xué)》雜志上，美國科學(xué)家發(fā)表了“好奇號”發(fā)現(xiàn)火星大氣中甲烷水平的季節(jié)性變化的論文，科學(xué)家描述了在近三年的火星年（地球六年）中，火星大氣中甲烷季節(jié)性變化的新發(fā)現(xiàn)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)是由“好奇號”的火星樣品分析（SAM）儀檢測到的，探測結(jié)果表明火山口中的甲烷含量在夏季含量較高，在每年的冬季含量較低，如果探測結(jié)果是正確的，盡管水-巖石的化學(xué)作用可以產(chǎn)生甲烷，但科學(xué)家們更傾向采用生物排放的可能性來解釋這一現(xiàn)象。

時(shí)間來到2019年，對火星甲烷的爭論依然沒有停下來。2019年4月1日，歐洲空間局發(fā)布了對火星甲烷探測結(jié)果的一篇報(bào)道，報(bào)道稱“火星快車”探測器于2013年6月16日在蓋爾隕石坑（也是“好奇號”所在地）的火星大氣中探測到了甲烷分子，證實(shí)了之前“好奇號”火星車的測量結(jié)果。而“好奇號”當(dāng)年頗具爭議的甲烷發(fā)現(xiàn)，則恰好發(fā)生在前一天。科學(xué)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為此次發(fā)現(xiàn)的甲烷，可能是蓋爾隕石坑附近的斷層區(qū)域發(fā)生了短暫性地質(zhì)事件，使地層中存儲的甲烷被釋放出來。孤立不證，而兩個(gè)團(tuán)隊(duì)在同一區(qū)域采用不同的儀器，用不同的方式都探測到甲烷，或許增加了證據(jù)的可信性。

有意思的是，9天后，2019年4月10日，《自然》雜志同時(shí)發(fā)表兩篇火星研究論文，報(bào)告了“火星快車”的TGO觀測結(jié)果，其中一篇論文稱，TGO沒有在火星上檢測到甲烷。

2個(gè)月后，2019年6月23日，美國宇航局宣稱，本周“好奇號”在火星的測量發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人驚訝的結(jié)果，甲烷在火星大氣中的含量為十億分之二十一，是2013年峰值的三倍?！昂闷嫣枴痹谥苣┻M(jìn)行了甲烷的后續(xù)實(shí)驗(yàn)，在星期一清晨甲烷含量急劇下降，檢測到的甲烷量不到十億分之一，接近“好奇號”始終可見的背景水平。

這一發(fā)現(xiàn)仍是初步的，科學(xué)家需要更多的時(shí)間來分析這些線索并進(jìn)行更多的觀測?！昂闷嫣枴被鹦擒嚒ⅰ盎鹦强燔嚒焙汀拔⒘繗怏w軌道飛行器（TGO）”任務(wù)相關(guān)的科學(xué)家一直在討論最新的發(fā)現(xiàn)，也許不久的將來，科學(xué)家就可以解釋為什么微量氣體軌道器和“好奇號”的甲烷觀測值如此不同。

神秘的火星甲烷探測歷程 （圖片來源：ESA）

無論現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的火星甲烷是不是真的，我們都該慶幸我們正處于這個(gè)謎題的探索階段，相信找到火星甲烷只是時(shí)間問題，我們的“天問一號”或許就能發(fā)現(xiàn)充足的證據(jù)。什么時(shí)候能夠準(zhǔn)確抓住這個(gè)精靈，我們也就離“火星生命”的答案更近了一點(diǎn)。