Венера: без фосфина, только диоксид серы

В сентябре 2020 года группа исследователей во главе с профессором Джейн Гривз из Кардиффского университета объявила о том, что они обнаружили фосфиновую подпись в атмосфере Венеры. Обнаружение было даже основано на двойном обнаружении, с телескопом Джеймса Клерка Максвелла (JCMT) и большим миллиметровым/субмиллиметровым массивом Атакамы (ALMA).

В атмосфере Земли содержится небольшое количество фосфина, который может иметь только антропогенное или микробное происхождение. Таким образом, обнаружение газа на другой каменистой планете в нашей Солнечной системе породило немало дискуссий. Некоторые группы поддержали открытие, например, проанализировав базы данных из старых миссий, но другие независимые исследования пришли к совершенно другим выводам. Одна группа не смогла найти доказательства фосфина ни в данных JCMT, ни в данных ALMA, что позволяет предположить, что сигнал фосфина может быть отнесен к диоксиду серы, который генерирует спектральную линию в том же месте. Аналогичным образом, другой анализ показывает, что избыточная математика, применяемая к данным для удаления шума, привела бы к появлению поддельных и ложных сигналов, ошибочно принятых за фосфин.

На весь этот шум Гривз и её коллеги ответили вторым, более осторожным документом, в котором результаты были названы "предварительные", а данные были уменьшены: фосфин на Венере есть, но намного меньше, чем первоначально рассчитано.

Теперь новое исследование показывает, что диоксид серы не только может объяснить предыдущие результаты, но и более соответствует тому, что мы знаем об атмосфере планеты и ее губительной химической среде (которая включает в себя облака серной кислоты). Более того, исследователи показывают, что исходный сигнал возник не в облачном слое, а намного выше его, в верхнем поясе атмосферы, где молекулы фосфина будут разрушены за секунды. Это еще раз подтверждает гипотезу о том, что это должен был быть не фосфин, а диоксид серы.

"Вместо фосфина в облаках Венеры данные согласуются с альтернативной гипотезой: они обнаруживали диоксид серы", — сказала соавтор Виктория Медоуз, профессор астрономии Вашингтонского университета. "Двуокись серы является третьим наиболее распространенным химическим соединением в атмосфере Венеры и не считается признаком жизни".

В исследовании, возглавляемом Вашингтонским университетом, также участвовали ученые из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА, технологического института Джорджии, Исследовательского центра Эймса и Калифорнийского университета.

Каждое химическое соединение поглощает уникальные длины волн электромагнитного спектра, который включает радиоволны, рентгеновские лучи и видимый свет. Астрономы используют радиоволны, свет и другие излучения планет, чтобы узнать об их химическом составе и других свойствах.

В 2017 году с помощью JCMT команда Джейн Гривз обнаружила особенность в радиоизлучении Венеры на частоте 266,94 ГГц 1,123 (или 1,123 мм), где и фосфин, и диоксид серы оставляют след. Затем, в 2019 году, та же команда провела наблюдения дополнительные с помощью ALMA. Это привело к выводу, что уровни диоксида серы на Венере были слишком низкими, чтобы учесть сигнал на частоте 266,94 ГГц, который, следовательно, должен был исходить от фосфинового газа на высоте от 50 до 60 километров, где условия окружающей среды более мягкие. Однако позже было обнаружено, что ALMA обнаружила ошибку в своей системе калибровки, создавая спектр Венеры с большим количеством шумов.

В новом исследовании исследователи начали с моделирования условий в атмосфере Венеры, используя ее в качестве основы для всесторонней интерпретации особенностей, которые были замечены и не видны в наборах данных JCMT и ALMA.

"Эта модель известна как модель переноса излучения и включает в себя данные нескольких десятилетий наблюдений за Венерой из множества источников, в том числе из обсерваторий здесь на Земле и космических аппаратов, таких как Venus Express", — говорит ведущий автор Эндрю Линковский, научный сотрудник астрономического факультета Вашингтонского университета.

По сути, команда использовала эту модель для моделирования сигналов фосфина и диоксида серы на разных уровнях атмосферы Венеры и того, как эти сигналы будут обнаружены JCMT и ALMA в их конфигурациях 2017 и 2019 гг. Судя по форме сигнала 266,94 ГГц, собранного JCMT, поглощение пришло не из облачного слоя Венеры, сообщает команда. Вместо этого большая часть наблюдаемого сигнала возникла на высоте около 80 и более километров над поверхностью, в мезосфере Венеры. На этой высоте жесткие химические вещества и ультрафиолетовое излучение уничтожат молекулы фосфина за считанные секунды.

"Фосфин в мезосфере даже более хрупок, чем фосфин в облаках Венеры", — сказал Медоуз. "Если бы сигнал JCMT исходил от фосфина в мезосфере, чтобы учесть силу сигнала и субсекундную продолжительность соединения на этой высоте, фосфин должен быть доставлен в мезосферу примерно в 100 раз быстрее, чем кислород, закачиваемый в атмосферу Земли фотосинтезом".

Исследователи также обнаружили, что данные ALMA, вероятно, значительно занижают количество диоксида серы в атмосфере Венеры.

"Конфигурация антенны ALMA во время наблюдений 2019 года имеет нежелательный побочный эффект: сигналы от газов, которые можно обнаружить практически в любой точке атмосферы Венеры, например, от диоксида серы, слабее, чем газы, распределенные в меньшем масштабе", — сказал соавтор Алекс Акинс, научный сотрудник Лаборатории реактивного движения. Это явление, известное как разбавление спектральной линии, привело к недооценке количества диоксида серы, наблюдаемого JCMT.

"Они сделали вывод об обнаружении низкого содержания диоксида серы из-за искусственно слабого сигнала от ALMA", — добавил Линковски. "Но наши модели предполагают, что разбавленные данные ALMA все еще согласовывались бы с типичными или даже большими количествами диоксида серы на Венере, что могло бы полностью объяснить наблюдаемый сигнал JCMT".

"Когда было объявлено об этом новом открытии, низкое содержание диоксида серы, о котором сообщалось, противоречило тому, что мы уже знаем о Венере и ее облаках", — сказал Медоуз. "Наша новая работа дает полную картину, показывающую, как типичные количества двуокиси серы в мезосфере Венеры могут объяснить как обнаружение сигнала, так и необнаружение в данных JCMT и ALMA без необходимости фосфина".