NASA科学家联名求撤稿：金星生命迹象是乌龙，拟合方法不靠谱
萧箫 鱼羊 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI
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。
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！
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。
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。
你的论文不也是在一步步的质疑修改中逐步完善的吗？
传送门：
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