天文学家连发3篇论文质疑，金星有生命迹象是场大乌龙？

本文来自微信公众号：量子位（ID：QbitAI），作者：萧箫、鱼羊，原文标题：《NASA科学家联名求撤稿：金星有生命迹象是大乌龙，12阶多项式拟合不靠谱 》，头图来自：《火星救援》剧照截图

还记得9月14号那篇“金星上有生命”的Nature子刊论文吗？

天文学家在金星“大气层”中观测到了磷化氢的迹象，这是金星上有生命的有力证据。

这可是轰动天文界的大新闻，很多人不敢相信：磷化氢和生命也不见得有必然联系吧？然而，科学家们在仔细研读论文后，一个个都坐不住了：这论文，从数据处理开始就有问题啊！

质疑接踵而至，全球多个团队对这篇论文表示怀疑，也包括NASA在内。NASA研究生命、行星等各领域的科学家们“联名上书”Nature：请作者考虑更正或撤稿。

所有的质疑都指向一个问题：所谓的磷化氢信号过拟合了。

提出质疑的三个团队，从验证结论时所用的12阶多项式，到观测数据处理的方式，全都“炮轰”了一遍。

他们表示，自己对数据分析的结果与这篇论文并不一致。也就是说，在金星大气中发现磷化氢的结论可能根本就是错误的。

究竟怎么回事？我们一起来捋一捋。

一、金星上的磷化氢是怎么观测到的？

首先，来看这篇引起轰动的Nature Astronomy论文本身。天文学家Jane Greaves领导的国际合作研究团队一开始是使用夏威夷的James  Clerk Maxwell望远镜（JCMT）发现了金星大气中的磷化氢。

此后，他们又在智利的Atacama毫米/亚毫米阵列（ALMA）射电望远镜上确认了这一结果。相隔上亿公里的地球人是如何知道金星上有磷化氢的呢？

原来化学分子会吸收某些特定波长的电磁波，就像是这种物质的“身份证”。如果我们把从行星上穿过的电波分析一下，发现哪些被吸收了，就可以推测行星上存在某种气体。

比如磷化氢会吸收频率为267GHz的电磁波。

结果，科学家们在JCMT和ALMA接受的信号中发现，在这个频率上有凹陷，因此认为金星上存在着磷化氢。

而且他们根据吸收这个凹陷的大小算出，金星大气中磷化氢浓度是一亿分之二。

然而想从观测数据中得出结论，并不是像上面说得那样容易。

由于地球大气层、望远镜本身结构等等原因，电磁波难免会受到噪声的影响，自带抖动。如果抖动幅度过大，噪声甚至会把信号淹没。

NASA戈达德太空飞行中心的天体化学家Martin Cordiner就指出，使用ALMA这样强大的望远镜观测金星这样明亮的天体时，这个问题会变得尤其严重。

对此，Greaves团队首先在ALMA数据成像之前，排除了所有长度小于33m的甚长基线干涉测量结果。因为干涉基线越短，信号中的噪声影响就越大。

另外，NASA还发现，Greaves的研究团队用多项式方程拟合噪声，然后将其从数据中剔除。

最简单的可以是一阶多项式方程，即 y=mx+b。二阶多项式方程则是 y=m0x^2+m1x+b的形式，n阶多项式方程以此类推。

本来多项式拟合是常规操作，没有什么。但是Greaves团队用了8阶多项式拟合JCMT望远镜的数据，而ALMA望远镜数据，他们居然用到了12阶多项式！

二、数据拟合方式太“疯狂”？

简单总结一下论文的内容，金星上可能存在生命的推断过程是这样的：①通过JCMT望远镜，发现了磷化氢；②再通过ALMA望远镜，确认了这次观测结果。

最早是4名来自荷兰莱顿大学的天文学家，他们发现ALMA观测数据的处理方式有问题。火眼金睛的他们，一眼就相中了处理（频谱通带部分）噪声的12阶多项式。

12阶多项式，为什么这么离谱？这就要说到实验曲线的拟合问题。

为了让曲线能够尽可能靠近所有实验数据，选择越高阶的多项式来拟合，就越容易实现。但是多项式的阶数越高，曲线振荡得也会越厉害，偏离真实的情况。

比如下面的实验数据，本来都在一条直线附近，如果用高阶多项式拟合，则会出现多处峰谷。

著名数学家冯·诺依曼说过一句名言：

给我四个参数，我能拟合出一头大象，给我五个参数，我能让大象鼻子晃起来。

虽然听起来有点不可思议，但这确实是真的，也已经有人用论文实现过了（下面那幅图，是表示用一个参数就能摆动大象的鼻子）：

4个参数已经能达成这样的效果，12阶多项式听起来jo离谱……但天文学家们还是动手又验证了一遍，主要通过两种方法：

①对ALMA收集到的金星数据，重新应用相同的降噪方法；

②用这种降噪方法，对金星光谱的其他部分进行噪声过滤。

从结果来看，得到的光谱数据不仅不符合高斯分布，而且差得还有点大……

而且，如果基线选得不同，统计结果可能就会不一样。

莱顿大学的天文学家又处理了一遍数据，磷化氢吸收频率附近的特征为2σ，低于具有统计学意义的通用阈值，因此不能说明金星大气中有异常含量的磷化氢。

此外，这篇论文中所发现的磷化氢，有个前提条件：是在金星的大气层中发现的。

巴黎天文台的Thérèse Encrenaz记录了2012~2015年金星三年的观测数据，数据表明，大气层中并没有磷化氢的迹象。

虽然这并不意味着更高的地方没有磷化氢，但Encrenaz认为，论文这种说法值得商榷。

而且，ALMA还只是第一步。

很快又有天文学家发现，JCMT的数据处理，好像也有点问题？

一位来自英国的天文学家，他在对JCMT数据进行再处理时发现，与ALMA一样，相似的情况也同样出现在JCMT中，也就是所谓的“假阳性”。

此前，Villanueva的论文表明，JCMT的吸收线同样可能是二氧化硫，但这篇论文则认为，金星的检测光谱无法证明是否吸收了二氧化硫或是磷化氢。

这件事情，目前仍在发酵中。

三、真理越辩越明

NASA在发表“诚邀撤稿”声明的后一天，忽然去掉了论文中要求撤稿的部分，而是改成了更冷静的“我们所测量的数据，与论文中所展示的数据不符”。

不过，对于此事，网友们已经热议开来。有网友调侃这个12阶多项式时表示：我做毕业论文的时候，5阶就已经蒙混过关了……

还有网友想到了NASA在Nature发表过的主题为“砷可以在DNA中取代磷”的论文，然而最后也是被打脸了。

但也有网友认为，统计学的确是个充满玄学的问题。

而NASA金星研究组的成员Byrne则认为，这篇论文再一次激起了人们对于金星的热情，而它的存在也说明，人们对金星的了解还很匮乏。他认为：

“获得这些答案的唯一途径，就是到金星上去。”

如果说早前的讨论是，大气中磷化氢的存在是否能证明金星存在生命，那么现在，连磷化氢存在本身都需要更多的探测结果来证明。

不过，也有观点认为，合理质疑是好事，“这就是科学真实的样子”。

不断地探索发现，才会让真理越辩越明。

Nature原论文：https://www.nature.com/articles/s41550-020-1174-4

三篇质疑：https://arxiv.org/abs/2010.09761 https://arxiv.org/abs/2010.14305 https://arxiv.org/abs/2010.15188

参考链接：https://news.ycombinator.com/item?id=24980449 https://weibo.com/1144755982/JrBBErHaC https://fermatslibrary.com/s/drawing-an-elephant-with-four-complex-parameters 

本文来自微信公众号：量子位（ID：QbitAI），作者：萧箫、鱼羊