Er was eens… fosfine op Venus

• In 2020 claimde een onderzoeksgroep fosfine in de atmosfeer van Venus te hebben aangetoond, dat mogelijk een biologische oorsprong heeft.

• Uit her-analyse van de oorspronkelijke data blijkt echter dat het fosfine-signaal waarschijnlijk vals is.

• Desondanks is het uitermate moeilijk om de fosfine-geest terug in de fles te krijgen.

Op 14 september 2020 stond de sterrenkundige wereld op zijn kop.
Een team van astronomen uit het Verenigd Koninkrijk en de Verenigde Staten verkondigen live op een persconferentie van de Royal Astronomical Society dat ze sporen van het gas
fosfine hadden gevonden in de atmosfeer van Venus.
“Er is een kans dat we levende organismen in het wolkendek gevonden hebben”, verklaarde de hoofdonderzoeker enthousiast.
Wat is er nu nog van deze claim over?

Door Ignas Snellen (Sterrewacht Leiden)

Eerst even een disclaimer: U bent natuurlijk van Zenit objectieve wetenschapsjournalistiek gewend.
Maar dat is in dit geval een beetje moeilijk, want de auteur speelt zelf een (bescheiden) rol in dit verhaal.
U bent gewaarschuwd. Dit is gedeeltelijk een persoonlijk verslag.
Het oppervlak van Venus wordt aan het zicht onttrokken door een dik wolkendek (Figuur 1).
Hierdoor hebben sterrenkundigen tot diep in de jaren vijftig van de vorige eeuw gefantaseerd over hoe het er op Venus uit zou kunnen zien.
Een tropisch paradijs? Een waterwereld? Of toch meer een droge woestijn? Maar radiowaarnemingen en ruimtemissies onthulden dat Venus een ware hel is.
Warm genoeg om lood te laten smelten, met honderd keer de luchtdruk van bijna pure koolstofdioxide.
Toen het wolkendek ook nog voornamelijk uit zwavelzuur bleek te bestaan was alle hoop om ooit leven op Venus te vinden verloren.

De aankondiging
Of toch niet? Het team, geleid door Professor Jane Greaves van de Universiteit van Cardiff (VK), presenteerde waarnemingen van fosfine (een molecuul bestaande uit een fosforatoom
met drie waterstofatomen – PH3) in de atmosfeer van Venus (Zenit november 2020, blz. 9) met een geschatte concentratie van ongeveer 20 deeltjes per miljard CO2-moleculen.
Het is een sterk signaal, gebaseerd op één absorptielijn op ongeveer 1 mm radiogolflengte.
Zelfs in zo’n lage concentratie is de aanwezigheid van fosfine onverwacht, want chemisch gezien zou fosfor zich met zuurstof moeten binden in plaats van waterstof.
Het team heeft allerlei mogelijke productiemechanismes onderzocht die de fosfine zouden kunnen aanmaken op Venus, zoals vulkanisme, bliksem of meteorietinslagen,
maar niets gevonden.
Het fosfine is een raadsel.
Omdat er bacteriën op aarde zijn die fosfine aanmaken, houden de wetenschappers de mogelijkheid open dat biologische activiteit de oorsprong is van het gemeten gas.
Dit wordt niet alleen breed uitgemeten in de samenvatting en inleiding van het artikel, het is de raison d’être van deze waarnemingen.
Fosfine was namelijk al eerder geopperd als biomarker, een gas dat mogelijk de aanwezigheid van leven zou kunnen aantonen in de atmosfeer van (exo)planeten.
Bij menig wetenschapper viel de aankondiging wat rauw op haar of zijn dak, zo ook bij mij.
Het onderzoek roept namelijk drie belangrijke vragen op:
1) Is de gedetecteerde spectraallijn echt?
2) Als de lijn echt is, is deze inderdaad van fosfine?
3) Als de lijn echt is en van fosfine, duidt dat op de aanwezigheid van leven, of kun je fosfine ook op een andere manier maken?
De eerste vraag is voer voor astronomen.
De tweede vraagt samenwerking met chemici en atmosfeerfysici.
De derde vraag vergt zelfs een nog veel bredere samenwerking tussen wetenschappers van allerlei disciplines.
Dat maakt dit onderwerp zo lastig

De spectraallijn
Ik wist niet wat ik hiervan van moest denken en zou sowieso alleen wat over de eerste vraag kunnen zeggen (is de lijn echt?).
En afgaande op de grafiek in hun artikel (Figuur 3) was daar geen twijfel over mogelijk.
De lijn was gedetecteerd met een signaal-ruisverhouding van 15, wat betekent dat willekeurige ruisvariaties in het spectrum maar liefst vijftien keer kleiner zijn dat
het signaal zelf.
Maar leven op Venus vinden zou een enorme paradigmaverschuiving zijn.
Al onze vermoedens over het ontstaan en evolutie van leven zouden op losse schroeven komen te staan.
Daarom moeten we hier niet over één nacht ijs gaan.
De fosfine-claim is gebaseerd op twee waarnemingen.
Met de James Clerk Maxwell-radiotelescoop (JCMT) op Hawaii is in 2017 mogelijk een zwak signaal gezien, waarna er nieuwe waarnemingen verricht zijn met de
Atacama Large Mm/submm Array (ALMA) in het noorden van Chili, die veel gevoeliger is.
Deze ALMA-waarnemingen hebben het sterke signaal opgeleverd.
Dus toch maar eens de tijd genomen om het werk echt goed te bekijken.
Ik ben absoluut geen expert op het gebied van radiowaarnemingen aan Venus, maar ik probeer wel al een half leven lang zwakke signalen te ontwaren uit
data met veel ruis.
Ik was er snel van overtuigd dat, als ze echt gedaan hadden wat ze in het artikel omschrijven, er waarschijnlijk helemaal geen fosfinelijn was.

Statistiek
Voor het interpreteren van signalen uit het heelal is statistiek heel belangrijk.
De meeste metingen hebben namelijk veel ruis, die in een spectrum voor willekeurige pieken en dalen zorgt.
Hoe weet je nu of de absorptie- of emissielijn niet een willekeurige ruispiek of -dal is?
Hiervoor gebruik je statistiek.
De ruiskarakteristieken van de data kun je meten, en hiermee bepalen hoeveel sterker het mogelijk gemeten signaal is ten opzichte van de ruis.
Dit kan dan gekoppeld worden aan een kansberekening.
Uitgaande van pure, willekeurige ruis (volgens een zogeheten Gaussverdeling) is de kans dat een signaal niet echt is, met een signaal-ruisverhouding van
3 zo’n 0,3 procent.
Dat lijkt heel weinig, maar de ruis is nooit perfect Gaussisch en bevat altijd systematische effecten.
Ook moet je rekening houden met de keuzes die je als waarnemer tijdens het analyse- en ijkingsproces maakt en die de sterkte van het signaal kunnen beïnvloeden (daarom doen ze in
de medische wereld veelal dubbelblind onderzoek).
In de sterrenkunde beginnen we daarom signalen pas echt te geloven vanaf een signaal-ruisverhouding van 3, in de deeltjesfysica zelfs pas vanaf een verhouding van 5.
Het ALMA-signaal heeft een verhouding van 15 met een verwaarloosbare kans dat het niet echt is.
Het team had echter een absoluut ontoelaatbare methode gebruikt om ruis in het waargenomen spectrum te onderdrukken.
Omdat Venus zo groot en helder is veroorzaakt dat allerlei rimpelingen in het spectrum.
Deze rimpelingen hebben ongeveer dezelfde grootte en breedte als het geclaimde signaal van fosfine (Figuur 5).
Je weet dus eigenlijk niet of de lijn echt is, of gewoon toevallig een rimpeling.
Dit is door het team opgelost door alle rimpelingen buiten de golflengte van fosfine weg te filteren, en die bij de fosfine-golflengte te laten staan.
Zo krijg je inderdaad een mooie absorptielijn (Figuur 3), maar dit heeft weinig met de werkelijkheid te maken. Erg knullig.

Eigen analyse
Wat nu te doen? Vooral omdat er intussen ronkende verhalen in de media verschenen besloot ik om de analyse zelf over te doen, waarbij Michiel Hogerheijde en Floris van der Tak, ALMA experts in Leiden en Groningen, te hulp schoten.
Ik kreeg ook ondersteuning uit ons regionaal ALMA-center van Liz Guzman-Ramirez en Alex Hygate, die de her-analyse van de ALMA data voor hun rekening namen.
Onze publicatie laat zien dat de methode van ruisonderdrukking fout is.
Die methode laat op verschillende plekken in het spectrum sterke lijnen (net zo sterk als de zogenaamde fosfinelijn) verschijnen die niet echt zijn.
Zonder de ruisonderdrukking is het signaal maar ongeveer twee keer zo sterk als de ruis, veel te weinig om het te geloven.
Bovendien laten we zien dat de ruis verre van Gaussisch verdeeld is – vol van systematische effecten.
Conclusie: er is geen statistisch bewijs dat er een fosfinelijn in het spectrum zit.
Verder is dit ook nog eens afhankelijk van welk gedeelte van de ALMA-data gebruikt wordt.
Een deel was namelijk weggelaten. Doe je dat niet, dan is er helemáál niets te zien.

Kalibratiefouten
Een paar dagen voordat we ons artikel naar de preprint server wilden sturen, hoorden we via het geruchtencircuit dat we met dit onderzoek niet de enige zijn.
Er bleek nóg iets ergs aan de hand.
De sterke rimpelingen in het spectrum worden veroorzaakt door een kalibratiefout in de ALMA-data.
Wij hadden dat niet opgemerkt omdat we onze analyses hadden gedaan volgens de scripts die het Greaves-team beschikbaar had gesteld (dus in feite
dezelfde analyse hadden gedaan als het originele team).
Met de nieuwe ijkingen zijn de rimpelingen grotendeels weg, alsmede de zogenaamde fosfinelijn.
We hebben ons artikel toch maar meteen gepubliceerd om te laten zien dat de analyse verkeerd is uitgevoerd, met een voetnoot dat de kalibratie ook
fout is – wat betekent dat de lijn inderdaad niet echt is.
Het artikel met de nieuwe kalibratie is door een team van NASA een week later gepubliceerd, zonder een spoor van fosfine.
Vervolgens deden ze het mogelijke signaal dat eerder gezien werd met JCMT, af als afkomstig van zwaveldioxide (SO2).
Een gas waarvan we weten dat het in de Venusatmosfeer voorkomt, met een absorptielijn vrijwel op dezelfde golflengte als fosfine.
Nog weer een paar weken later kwam er een artikel van Martin Thompson van University of Hertfordshire (VK) dat laat zien dat het originele team dezelfde fout met de
JCMT-data heeft gemaakt en de ruis er op incorrecte wijze heeft uitgefilterd.
Andere studies laten hetzelfde zien: de lijn is niet echt en al zou die echt zijn, dan ligt zwaveldioxide veel meer voor de hand.
Tenslotte kwamen er nog studies voorbij die laten zien dat, zelfs al was het fosfine, er wel degelijk a-biologische manieren kunnen zijn om het aan te maken.
Zo bleef er weinig over van het sprookje.

Loopgravenoorlog
Als onderzoeker is dit ongeveer het ergste wat je kan overkomen.
Je hebt je nek uitgestoken met een fantastisch resultaat, maar dat blijkt al vrij snel niet te kloppen.
In het artikel over de kalibratiefout wordt expliciet aan het team gevraagd om hun artikel in te trekken.
Op de sociale media brak een loopgravenoorlog uit.
Intussen zat het originele team niet stil.
In november al publiceerden ze op arxiv.org een eerste weerwoord.
Er is niets fout aan hun eerdere analyse.
Het originele signaal is dan wel weg, maar er zit nog wel degelijk iets, zo’n tien keer zwakker (al wordt dit door geen enkel ander team gezien).
Daarna volgden nog drie andere weerwoorden van het originele team, in december, april en augustus.
Menig onderzoeker zou allang zijn afgehaakt, waaronder ondergetekende, maar in de sterrenkundemedia is het smullen: Het mysterie van fosfine op
Venus? Is er leven op Venus? Het is een levenslijn waarmee ze nog jaren hun magazines kunnen verkopen.

Toekomst
Het onderzoek naar fosfine op Venus is nu in een nieuwe fase beland.
Het ene kamp wetenschappers dringt aan op het vergaren van meer data om het fosfine-mysterie op te lossen.
Het andere kamp zegt: ‘Welk mysterie? Er is helemaal geen mysterie!’
Maar je moet je wel afvragen of het zin heeft om een hypothese (fosfine op Venus) zonder echt empirisch bewijs na te jagen.
Doe je dat wel dan liggen er veel gevaren op de weg.
Als nieuwe waarnemingen geen fosfine laten zien, lost dit weinig op.
Het gas zou namelijk seizoens-afhankelijk kunnen zijn, of van andere factoren afhangen – lengtegraad, breedtegraad, hoogte?
Bewijzen dat er géén fosfine op Venus is, is namelijk niet mogelijk, ook niet met een ballon in de atmosfeer.
Nieuwe waarnemingen kunnen nooit definitief uitsluitsel geven dat er geen fosfine is.
Een ander probleem is het aandragen van indirect bewijs dat eigenlijk geen waarde heeft.
Een goed voorbeeld is veertig jaar oude data van de Amerikaanse Pioneer Venus-missie over de massa van moleculen in de atmosfeer.
We weten dat er H2S op Venus is, ook gemeten door Pioneer Venus, maar uit een recente her-analyse zou blijken dat dit fosfine is.
In dat geval zou er 1000 keer meer fosfine zijn dan geclaimd door Greaves et al. (en we weten al via spectroscopie dat H2S voorkomt).
Dit soort onderzoek heeft geen toegevoegde waarde, maar de geest is uit de fles.
We komen voorlopig niet af van het fosfine-mysterie, en er zijn altijd wetenschappers die een graantje mee willen pikken.
Venus is een buitengewoon interessante planeet.
Even groot en zwaar als de aarde, zelfs met ongeveer dezelfde effectieve temperatuur.
Maar toch is, evolutionair gezien, Venus een totaal andere richting ingeslagen.
De aarde is een paradijs en Venus een hel.
Daar willen we graag veel meer over weten.
Het is dan ook prachtig nieuws dat zowel NASA als ESA besloten hebben om ruimtesondes naar Venus te sturen, maar over fosfine wordt in
de missie-omschrijvingen niet gerept.
Het vakblad Nature heeft een waarschuwing geplaatst bij het originele fosfine-artikel.
Maar als het aan sommige sterrenkundigen ligt, is dit sprookje nog niet uit.

(Image Credit Venus: NASA/JPL-Caltech)

Referenties
Greaves J. et al., Nature Astronomy 5, 655 (2020; https://arxiv.org/abs/2009.06593)
Greaves J. et al. 2020b (https://arxiv.org/ abs/2011.08176)
Greaves J. et al. 2020c (https://arxiv.org/abs/2012.05844)
Greaves J. et al. 2021a (https://arxiv.org/abs/2104.09285)
Greaves J. et al. 2021b (https://arxiv.org/abs/2108.08393)
Lincowski, A. et al. ApJ 908, 44 (2021; https://arxiv.org/abs/2101.09837)
Mogul, R. Geophysical Research Letters 48, e91327 (https://arxiv.org/abs/2009.12758)
Snellen I. et al., A&A 644, L2 (2020; https://arxiv.org/abs/2010.09761)
Thompson M. et al. MNRAS 501., 18 (2021; https://arxiv.org/abs/2010.15188)
Villanueva G. et al. 2020 (https://arxiv.org/abs/2010.14305