金星の大気中に、存在しないはずの化学物質が発見される

本日、研究者たちは、金星の大気中に、本来そこに存在するはずのない化学物質を観測したと発表しました。この化学物質、ホスフィン（リン原子に3つの水素が結合したもの）は、金星の大気の条件下では不安定であり、金星の化学反応によって大量に生成される可能性は低いと考えられています。

このことは、同様に可能性の低い、金星の上層大気で生命が何らかの形で生存している可能性について、多くの憶測を呼んでいます。しかし、この研究の多くは、初期の研究に関わっていない人々からの意見を必要としており、今日の論文発表は、そうした意見の喚起を促すものとなるでしょう。金星にホスフィンが存在すると考える根拠は確かにありますが、その検出にはかなり複雑なコンピューター分析が必要でした。そして、私たちの最も近い隣人である金星の化学的性質について、改めて考え直したいと考える独創的な化学者も間違いなく存在するでしょう。

ホスフィンとは何ですか？

リンは周期表で窒素の1つ下にあります。窒素が3つの水素原子と結合しておなじみのアンモニアを形成するのと同様に、リンも3つの水素原子と結合してホスフィンを形成します。地球のような環境では、ホスフィンは気体ですが、快適な気体ではありません。非常に有毒で、酸素が存在すると自然発火する傾向があります。この後者の特性のため、今日ではあまり見かけません。酸素が存在すると非常に不安定になるからです。

私たちは、自らの用途のためにホスフィンをいくらか生成しています。また、酸素のない環境に生息する一部の微生物もホスフィンを生成しますが、その生化学的プロセスや関与する酵素は特定されていません。それでも、大気中に放出されたホスフィンはすぐに酸素と反応して分解されます。

他の惑星にも存在しないというわけではありません。木星のような巨大ガス惑星にも存在します。しかし、巨大ガス惑星の大気には水素が豊富に存在し、酸素は存在しないため、ホスフィン、メタン、アンモニアといった化学物質が大気中で生存できるのです。さらに、巨大ガス惑星の中心核に近い高熱と高圧は、ホスフィンが自然発生的に生成される条件を整えています。

つまり、ホスフィンが生成できる水素に富んだ大気を持つ巨大ガス惑星と、酸化環境によって確実に分解される岩石惑星との間には明確な区別があります。そのため、ホスフィンは岩石惑星の大気中で検出できる生命の痕跡である可能性があると示唆されています。地球上の生命によってホスフィンが生成されることは分かっており、絶えず入れ替わらない限り、これらの惑星に存在する可能性は低いからです。これが、一部の研究者が望遠鏡を金星の大気に向けることになった理由です。

兆候を探す

具体的には、研究者たちはハワイにある口径15メートルのジェームズ・クラーク・マクスウェル望遠鏡（JCMT）を利用しました。JCMTは1ミリメートル前後の波長で画像を撮影することができ、これは金星の大気にとって興味深い波長です。金星の高温の下層大気は、このスペクトル領域で豊富な放射線を発生します。そして、ホスフィンはこの領域で特定の波長を吸収します。したがって、ホスフィンが上層大気に存在する場合、その存在は金星の下層大気が生み出す大量の放射線の特定の場所に隙間を作り出すはずです。

原理的には、これは極めて単純な観測です。しかし実際には、そのレベルが非常に低いため、少々厄介な問題となります。ホスフィンが生成される地球では、大気中の定常レベルは1兆分の1程度です。これは、ホスフィンが急速に分解されるためです。また、金星は地球に対して相対的に移動しているため、信号の位置はドップラー効果を考慮して調整する必要があります。さらに、研究者が「リップル」と呼ぶ現象、つまりスペクトルの一部が金星と望遠鏡の間のどこかで反射する現象によって、信号は複雑化します。

これらには、望遠鏡のデータをコンピュータで大規模に処理する必要がありました。しかし、科学者たちを驚かせたのは、この分析結果がホスフィンの存在を示しているように見えたことです。（研究者たちは論文の中で、「この分析は将来の開発のためのベンチマークとなることを目指していましたが、予想外にも、初期の観測で金星のPH ₃が検出可能な量存在することが示唆されました」と記しています。）そこで、別の研究者に独立して分析を再度依頼しました。信号は依然として存在していました。研究者たちはまた、この手法によって、金星の大気中に存在することが知られている水素の同位体である重水素を含む水を検出できたことを確認しました。また、近くにある二酸化硫黄の吸収線を誤って特定した可能性も排除しました。

明らかな問題が排除された後、彼らは2台目の望遠鏡で観測する時間を確保しました。その2台目の望遠鏡とは、アタカマ大型ミリ波干渉計（ALMA）です。ALMAははるかに優れた分解能を持ち、研究者たちは金星を点光源以上のものとして扱うことができます。これにより、ホスフィンの信号が依然として存在し、中緯度で最も強く、極と赤道では見られないことを確認しました。これは、ホスフィンが上層から下層への大気循環が強い場所で存在することを意味します。

研究者らは最終的に、ホスフィンが20ppb程度のレベルで存在していると結論付けた。

一体どうやってそこにたどり着いたのでしょうか?

この分析が正しいと仮定すると、ホスフィンがどのようにしてそこにたどり着いたのかという大きな疑問が生じます。研究者たちは、金星の大気の条件下でホスフィンがどれだけの速さで分解されるかを推定し、それを用いて20ppbの濃度を維持するためにどれだけのホスフィンを生成する必要があるかを計算しました。そして、その量を生成できる何らかの化学反応を探し始めました。

まあ、良い選択肢はそれほど多くありません。大気中の一般的な条件下では、リンと水素はどちらも通常酸化され、どちらもあまり多くはありません。太陽放射によって存在する水素の一部が放出される可能性はありますが、その速度は非常に遅く、熱力学的にはリン以外の何かと反応する可能性が高いと考えられます。同様に、金星の火山活動に基づく反応経路では、十分な量のホスフィンを生成するには約100万分の1しか足りません。

これらすべてを踏まえて、研究者たちはやや苛立たしい結論に至った。「金星の上層大気中のPH3を説明できる既知の化学プロセスがないのであれば、PH3はこれまで金星の環境においてはあり得ないと考えられてきたプロセスによって生成されたに違いない」。しかし、当然ながら、考慮されるべきあり得ない可能性の一つは、そもそも人々がホスフィンを探し求めた理由、すなわちそれが生物によって生成される可能性があるという点である。