Phosphan: ein starker Biomarker auf der Venus?

Das ebenso giftige wie instabile Molekül Monophosphan PH3 – auch einfach Phosphan bzw. Englisch phosphane oder phosphine – gilt neuerdings als idealer Indikator für Leben auf einem terrestrischen Exoplaneten, weil es durch abiotische Prozesse praktisch nicht entsteht, von anaeroben Mikroorganismen aber produziert werden kann. Und heute wurde (nach allerlei Leaks schon vorgestern) der offenbar überzeugende Nachweis eben dieses Moleküls in der Venusatmosphäre mit zwei Radioteleskopen präsentiert: hier die Absorption, wie sie – nach jeder Menge Korrekturen – das Radiointerferometer ALMA in 2019-er Messungen sieht. Stark ist sie wahrlich nicht, denn die y-Achse ist das Verhältnis Linie zu Kontinuum, und letzteres ist bei einem nahen Planeten reichlich stark.

Zum Vergleich „rohere“ ALMA-Spektren und zwar – von oben – für polare Regionen, mittlere Breiten (nur dort ist das Signal, der Rotations-Übergang 1-0, deutlich) und den Äquatorbereich: Polynome 12. Ordnung werden empirisch angepasst und subtrahiert, um instrumentelle Effekte (den verbreiteten „Ripple“) zu entfernen. Interessanterweise wären die atmosphärischen Bedingungen just in mittleren Breiten noch am „lebensfreundlichsten“: Dort gibt es stabile Hadley-Zellen, in denen sich hypothetische Venus-Mikroben vermehren könnten, zu denen wir später kommen.

Das Phosphan hat nicht nur ALMA gesehen (in diesem Spektrum rot), sondern – mit geringerem Signal-zu-Rausch-Verhältnis – auch das Radioteleskop JCMT auf Hawaii (grün; hier war es 2017 erstmals aufgefallen): Rote senkrechte Linien zeigen jeweils die Differenz, und nur das mutmaßliche PH3-Feature bei ~0 km/s ist im betrachteten Bereich beiden gemein und zugleich breit genug, um signifikant zu sein. 20 parts per billion Monophosphan in einer stark oxidierenden Atmosphäre, wo es absolut keins geben dürfte; „erlaubt“ und auch gesehen wird das Molekül nur auf den Riesenplaneten, in deren Tiefe es entsteht und dann nach oben gespült wird.

Leider ist das Signal aber zu schwach, um seine Variation mit hoher Ortsauflösung auf der Venusscheibe zu kartieren: Hier sieht man die ALMA-Spektren für jedes 1.1-Bogensekunden-„Pixel“ auf dem Planeten, jeweils für ±25 km/s – da ist nichts Signifikantes mehr zu erkennen, das nur beim Addieren über Breitenzonen (2. Grafik) bzw. den ganzen Planeten (1. Grafik) erscheint. Soviel zum Nachweis des Phosphans …

… während dies die Bedeutung der Entdeckung in einer Grafik zusammen fasst: Aufgetragen sind die photochemische Produktion von PH3 (rot) und seine Zerstörung (blau; zwei verschiedene Annahmen) in Molekülen pro Sekunde (x-Achse) gegen die Höhe in km – und die Produktionsrate ist um 4 Zehnerpotenzen zu klein, um die nachgewiesene Phosphan-Menge zu erklären.

In dieser Tabelle sind noch weitere denkbare Quellen des PH3 aufgelistet – und Gründe, warum sie nicht funktionieren. Und genau dieses Ausschließen aller Alternativen ist der Grund, warum die spekulative Hypothese, dass Mikroorganismen die Quelle sind, gewissermaßen übrig bleibt, neben unbekannter Photo- oder Geochemie natürlich, und vom Wesen der Venuswolken ist immer noch vieles unverstanden. Die Schlussfolgerungen des Papers („Extended Data Fig. 10“ ist die obige Tabelle) sind mithin:

Die nächsten Aufgaben sind also der Nachweis weiterer spektraler Signaturen von PH3 (was leider neue Flugzeug- oder Satelliten-Observatorien erfordern würde) – und die Suche nach den Quellen, am besten gleich mit Sondenmissionen vor Ort oder Aerosol-Holen aus der Atmosphäre. Auf die mögliche Bedeutung von Monophosphan als planetare Biosignatur hatte Ende 2019 das Paper „Phosphine as a Biosignature Gas in Exoplanet Atmospheres“ hingewiesen, gut zusammengefasst in diesem Press Release (und Artikeln z.B. hier und hier) und letztens erst von einer Coautorin in diesem Exoplaneten-Vortrag in den Minuten 55 bis 59 diskutiert. Dieselbe – auch Coautorin des Venus-Phosphin-Papers – war just vor einem Monat zudem die Erstautorin eines Papers mit einem „Proposed Life Cycle for Persistence of the Venusian Aerial Biosphere“ gewesen (auch Artikel z.B. hier, hier und hier), auf das wiederum (im allerletzten Satz der Anhänge) das heutige Venus-Phosphin-Paper hinweist.

In dem August-Paper wird eine lebensfreundliche Zone in der Venusatmosphäre zwischen 48 und 60 km Höhe postuliert (gestrichelte Linien), in der die Temperatur zwischen 80°C unten und 0°C oben liegt, bei Drücken um 1 bar. Getrocknete Sporen (1) in einer „Depot-Zone“ in der Venus-Dunstschicht zwischen 33 und 48 km werden dabei von Aufwärtsströmungen (2) in die günstige Zone (wo sich die dichten Venus-Wolken befinden) getragen, wo sie als Kondensationskeime (3) Schwefelsäure und etwas Wasser aufnehmen, mit Stoffwechsel beginnen, sich teilen (4) und große Tropfen bilden (5), die die Schwerkraft wieder in die heiße Tiefe zieht – der Kreislauf schließt sich. Ursprünglich entstanden sind diese Mikroben dabei vor langer Zeit auf der Venus-Oberfläche, als sie noch lebensfreundlich war, und später in die Wolken geflohen.

Auch das Paper „Venus‘ Spectral Signatures and the Potential for Life in the Clouds“ hatte 2018 ein detailliertes Szenario präsentiert, diesmal in 47.5 bis 50.5 km Höhe: „terrestrial-type biology can survive within and contribute to the spectral signatures of Venus‘ clouds“ – wobei letztere z.B. Gegenstand des ebenfalls 2018-er Papers „Venus upper clouds and the UV-absorber from MESSENGER/MASCS observations“ sind, das sich für S2O und S2O2 als Absorber ausspricht. Phosphan dagegen spielt in dem erst einen Monat alten Whitepaper „Deep Atmosphere of Venus Probe as a Mission Priority for the Upcoming Decade“ mit, das sich wiederum u.a. auf das 2019-er PH3-Paper und das das 2018-er zu „Life in the Clouds“ bezieht: Die Phosphan-, Venus-Leben- und Venus-Missionsideen-Szene ist mächtig in Bewegung geraten.

In diesen Minuten beginnt auch eine Pressekonferenz der Royal Astronomical Society zum neuen Paper – die sollte eigentlich ein geschlossenes Zoom-Meeting werden, aber dank (!) der ganzen Leaks wird sie nun öffentlich gestreamt. NACHTRAG:

Drei Visuals aus der Pressekonferenz – auf der Sara Seager erzählte, dass ihre Phosphan-als-Biomarker-Forschung und die Phosphan-Suche der Radioastronomen gar nichts miteinander zu tun hatten und man erst spät und zufällig voneinander erfuhr. Und insgesamt wird sehr deutlich gemacht, dass man keine Entdeckung von Leben auf der Venus verkündet sondern einfach selber keine abiotische Erklärung hat – aber „there might be something we don’t know“.

Hier auch das (in Bruchstücken längst geleakte) MIT-Erklärvideo komplett, es gibt auch ein Factsheet mit Kurzvideo der RAA und Press Releases von MIT und RAS. NACHTRAG 2: das neue Paper komplett, ein zweites viel längeres zur Schwierigkeit, PH3 in dieser Menge auf der Venus zu erzeugen, eine PH3-Fanseite und ein Artikel zweier Co-Autorinnen, Press Releases von Mauna Kea Obs., Uni Manchester, ESO, Imperial College, ALMA, Cambridge Univ., ALMA JP und NAO, detaillierte Threads hier, hier und hier und Artikel hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier und hier. NACHTRAG 3: das publizierte und das zweite Paper im ArXiv, Podcasts mit Beteiligten hier und hier, ein längeres Buch-Kapitel über Venus-Biologie, eine 222-seitige Konzept-Studie für eine große NASA-Venus-Mission im Kontext des Finalisten DAVINCI+ für die nächste Discovery-Mission, Statements vom NASA-Chef, der NASA an sich und Rocket Lab zur Venus-Raumfahrt, Einordnungen des Phosphans von Kevin Zahnle (der ein Gutachter war), Seth Shostak und David Grinspoon, ein Video-Statement von Frank Marchis, weitere Threads mehr oder weniger Involvierter hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier und hier und Artikel hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier und hier, ein Tagesschau-Clip, Scherzchen hier, hier, hier, hier und hier und eine Sammlung solcher. NACHTRAG 4: Erklärungen von Breakthrough Init. und Roskosmos sowie dem NASA-Chef, Video-Experten-Chats hier und hier, ein Scoop, Threads hier (mehr), hier, hier, hier, hier und hier, und weitere Artikel hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier und hier.

NACHTRAG 5: Schlug Heinz Haber als erster Mikroben in den Venuswolken vor … im Jahr 1951? Der später als populärer Autor und „Fernsehprofessor“ bekannt gewordene deutsche Physiker hatte vor 70 Jahren in den USA für den umstrittenen Luftfahrtmediziner Hubertus Strughold gearbeitet – und diesen bei der Abfassung eines Aufsatzes über Leben auf dem Mars beraten, der im November 1951 im Technical Data Digest des Central Air Documents Office der Luftwaffe (und schon im März als eine Art Preprint) erschienen war: In einer Fußnote stehen dabei Habers Venus-Überlegungen zu möglichem Venusleben, die in den folgenden Jahren (und insbesondere 1967 in einem Paper von Carl Sagan) immer wieder in der Literatur auftauchten – jetzt auf deutlich seriöserer Basis als viel frühere Spekulationen. Auch die ersten fünf Post-Phospan-Papers Might active volcanisms today contribute to the presence of phosphine in Venus’s atmosphere?, A Precursor Balloon Mission for Venusian Astrobiology, Transfer of Life Between Earth and Venus with Planet-Grazing Asteroids, Feasibility Analysis and Preliminary Design of ChipSat Entry for In-situ Investigation of the Atmosphere of Venus und On The Biomass Required To Produce Phosphine Detected In The Cloud Decks Of Venus, eine ESO-Blog-Story, weitere Artikel hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier, hier und hier, ein längerer Chat und Erklär-Videos mit 3 Minuten und 14 Minuten Länge.

2 Antworten to “Phosphan: ein starker Biomarker auf der Venus?”

  1. Phosphan schon 1978 auf der Venus gemessen? | Skyweek Zwei Punkt Null Says:

    […] Daten sind bald 42 Jahre alt, aber die Entdeckung von Phosphan per Radioastronomie in der Venus-Atmosphäre (nur eine einsame Linie, aber alternative Interpretationen schein es nicht […]

  2. Infrarot-Astronomen sehen kein Venus-Phoshan | Skyweek Zwei Punkt Null Says:

    […] haben eine (einsame) Absorptionslinie gesehen, die auf 20 ppb des potenziellen Biomarkers Monophosphan (PH3) in den Venus-Wolken hinweist, und […]

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