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在宇宙中捕捉“不可能存在”的分子

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:2

    在宇宙中捕捉“不可能存在”的分子

    一种奇特的物质隐藏在遥远的马头星云中。这个由尘埃和气体组成的星云得名于其马头形的轮廓。在这团1500光年外的庞大星云中,新的恒星不断诞生。作为最易被识别的天体之一,马头星云已经得到了科学界的广泛研究。但在2011年,毫米波段射电天文学研究所(Institute of Millimeter Radioastronomy ,简称IRAM)等机构的天文学家又对其展开了新一轮的探索。借助位于西班牙内华达山脉的30米口径射电望远镜,他们将目光锁定在“鬃毛”上的两处位置。研究的目标不是拍摄更多星云图片,而是运用光谱分析,把光分解成不同波长的组成成分,从而揭示星云的化学组成。光谱数据如心电图上的尖峰,每一处的凸起都代表着星云中的分子发出的特定波长的光。

    由于分子中质子、中子与电子的排列方式不同,宇宙中每一种分子的光谱图都拥有独一无二的形状。在马头星云的光谱中,绝大多数的尖峰都来自我们熟悉的物质,例如一氧化碳、甲醛和中性碳,但89.957GHz处的一个小凸起是个例外:这个神秘的波长不属于任何已知的分子。

    巴黎天文台的伊芙琳·鲁埃夫(Evelyne Roueff)与研究团队中的其他化学家立即开始研究什么样的分子会产生这样的光谱信号。他们断定,这种未知的分子必然是一种线性分子,它里面的原子是排列在一条直线上的。只能特定种类的线性分子能产生这种谱型,在对可能的对象进行排查后,他们最终将目标锁定在C3H+离子。在此之前,人们从未见过这种离子,甚至无法确定它是否真的存在,因为C3H+离子极不稳定。在地球上,如果有C3H+生成,它会立即与其他分子反应生成更稳定的物质。但在广阔的太空,情况可能会有所不同。这里的压强极低,C3H+离子很难遇见其他可与其反应的分子,因此C3H+可能在太空中存在。

    接下来鲁埃夫和她的同事需要解决的问题是,产生C3H+离子所需的成分及反应条件是否存在于马头星云中?2012年,研究团队在《天文学与天体物理学》(Astronomy&Astrophysics)期刊发表文章,他们提出光谱上这个尖峰的制造者很可能就是C3H+。鲁埃夫表示,她自己对于这一结论很有信心,但她需要用两三年的时间使所有人相信他们的结论。

    由于此前人们从未见过C3H+,这个结论最初受到了不少质疑,直到一条决定性证据在去年出现—— 德国科隆大学的研究人员在实验室中制备出C3H+。尽管其存在时间十分短暂,但这足以证实C3H+离子的存在。研究人员还测得C3H+激发态下的光谱,这与之前在马头星云中观测到的光谱非常相似。“这个之前未曾想过的新型分子的发现意义重大,”鲁埃夫说,“我们通过逻辑链层层剥茧最终确定了它的存在,这种感觉就像是做侦探。”

    一个太空分子的争论告一段落,而更多种的太空分子依然等待人们去探索。马头星云并不是宇宙中的一个特例,只要观察足够细致,天文学家能够在宇宙中任何地方发现无法识别的谱线。我们所熟知的化合物构成了地球上种类异常繁多的物质,但这些只是大自然产物的一部分而已。随着几十年来理论模型、计算机模拟的进展以及实验室合成技术的提高,天体化学家们终将为这些未知的谱线贴上标签。

    空寂太空

    直到上世纪60年代,多数科学家还怀疑星际空间是否真的有分子存在。那时人们普遍认为,任何比原子和原子团更复杂的物质都难以在充满辐射的宇宙环境中存在。1968年,加州大学伯克利分校的物理学家查尔斯·汤斯(Charles Townes)决定寻找太空中的分子。这位诺贝尔物理学奖的得主于今年刚刚逝世,他于2006年写给太平洋天文学会(the Astronomical Society of the Pacific)的报告里回忆到,当时绝大多数同事都认为他的想法有些疯狂。但汤斯决定继续推进他的计划。为此,他为加州哈特克里克射电天文台(Hat Creek Radio Observatory )6米长的天线安装了放大器,并通过这台天线发现了人马座B2星云中存在氨。汤斯在文中写到:“如此简单,如此激动人心!这时新闻媒体和其他科学家开始谈论我们了。”

    在那之后,天文学家发现了超过200种漂浮在太空中的分子,其中很多与地球上常见的物质有明显差异。“我们通常基于地球上的条件开展化学研究,”乔治亚南方大学的天体化学家瑞恩·福滕贝里(Ryan Fortenberry)告诉我们,“当我们脱离地球的环境,大自然能够创造出的化学物质是不受限的。如果你想象出某种分子,无论你的想法有多离奇,在宇宙漫长的时间和广袤的空间中、它都有一定概率出现过。”

    太空环境对我们而言尤为陌生。在太空中,极端的高温(例如恒星的大气层)和低温(例如空旷的星际空间)都可以出现。同样,太空的压强也可以远远高出或低于地球环境。因此,很多无法在地球上出现的分子都可能在太空中形成,而且可能稳定存在,即使它们反应活性极高。“在星际空间,一个分子可能要花上数年时间才能遇到另一个分子从而发生反应。”美国国家航空航天局埃姆斯研究中心的天体物理学家蒂莫西·李(Timothy Lee)说,“它们可能出现在没有辐射的区域,这样即使稳定性很差,它们依旧可以存在很长一段时间。”

    我们从这些太空分子的发现中收获颇多。其中一些可能有利用价值,如果科学家能在实验室合成它们,并发掘其特性;而另一些分子则帮助我们理解创造地球生命的有机物起源于何方。这些发现拓宽了我们对宇宙中可能出现的化学反应的理解。

    划时代的望远镜

    在过去十年间,随着能够观测暗弱谱线的天文望远镜陆续投入使用,寻找太空分子的步伐不断加速。“这是宇宙化学的盛世,” 苏珊娜·韦弗(Susanna Widicus Weaver)说道。韦弗在艾默里大学领导一个天体化学的研究组,她告诉我们,现在能够获得的数据相较于十年前她拿到博士学位的时候有巨大飞跃。美国国家航空航天局的高海拔平流层红外天文台(SOFIA)安装在波音747SP飞机上,于2010年开始进行红外线和微波观测。2009年,欧洲航天局的赫歇尔空间天文台发射升空进入轨道,它的观测波段与SOFIA相同。

    而真正划时代的则是多国共同参与的阿塔卡马大型毫米/亚毫米级波列阵(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array,简称 ALMA),这个由66个射电天线组成的阵列于2013年投入使用。智利的阿塔卡马沙漠是世界上最干旱的地区,在海拔5200米的查南托高原火星般红色的土地上,ALMA的所有天线整齐划一地扭转方向,帮助观测者仔细收集来自天体的光。这里夜晚的天空极度黑暗、晴朗,几乎完全没有会干扰图像质量的水蒸气,这使得仪器在从红外到射电的各个波段,都能达到前所未有的灵敏度和精度。ALMA既做成像观测,也能获取图像中每个像素点的光谱,在它观测的每一个视场中都会产生数万条谱线。“这令人赞叹,同时也是个巨大的负担,”韦弗说,“这些数据集过于庞大,没法通过网络下载,只能存到闪存盘里邮寄给科学家们。”ALMA的数据洪流为天体化学家提供了大量可供研究的新谱线。但是,类似于犯罪现场留下的身份不明的指纹,这类谱线对于科学家是没有用的,除非他们能确定是何种分子产生了这些谱线。

    寻找线索

    科学家可以通过几种不同的思路将分子与光谱线匹配。以C3H+为例,天体化学家从理论出发,通过光谱中的线索推测出分子。而一种叫做ab initio (拉丁文“从头开始”的意思)量子化学的技术允许科学家们从量子力学出发,通过组成该分子的原子中质子、中子和电子的运动推算出分子的性质。在超级计算机上,研究人员对分子进行模拟,他们不断微调分子的结构从而寻找几何上最佳的构型。“随着量子化学的出现,我们的研究不再局限于我们已经合成的物质。”福滕贝里讲道,“不过受分子尺寸的限制,我们仍然需要更多的计算资源来帮助我们完成计算。”

    另一种为新分子寻求有力证据的方式是在实验室合成它们,然后直接测量其光谱特征。一种常用手段是创建一个气室,当电流通过气室时,其中的电子就有机会与气体分子发生碰撞,打破原有的化学键形成新的物质。研究人员将气压控制在较低的水平,这样新形成的物质可以在游弋一小段时间之后再遇上其他分子并发生反应,这一小段时间就给了研究者进行光谱分析的机会。他们用各种波长的光照射气室,从而观测气室中分子的光谱。“你可以在实验室中合成与太空中相同的分子,但你并不一定知道这是什么分子,”哈佛-史密森尼天体物理中心的物理学家迈克尔·麦卡锡(Michael McCarthy)告诉我们,“所以我们必须结合众多针对不同样品的实验推测分子的元素组成。”

    2006年,麦卡锡和他的同事合成了带负电荷的分子C6H-并测得了它的光谱信息,随后不久他们在430光年外的金牛座分子云中观测到同样的光谱特征。在此之前,对负电荷分子的搜寻都以失败而告终,这使得很多科学家怀疑是否有数量显著的负电荷分子存在。“这一发现为我们开启了全新的探索方式,我们可以在实验室中合成新分子然后在太空中寻找它们。”麦卡锡介绍道。现在,麦卡锡的团队已经在超过12个不同的宇宙来源中发现了C6H-。

    上世纪80年代,寻找新化学物质的科学家合成了一种奇特的分子:氢化氩(36ArH+),其不寻常之处在于,氩是惰性气体,在这里却与氢结合形成化合物。2013年,天文学家通过ALMA在蟹状星云和一个遥远的星系中先后观测到氢化氩。惰性气体只在极其特殊的情况下才会形成化合物,科学家认为宇宙射线(高能量的带电粒子)高速撞向氩原子,使氩的电子松动,这样氢就有机会与氩发生化学反应。因此,氢化氩成为了太空中强宇宙射线区域的指示物。研究团队的领导者,科隆大学的霍尔格·穆勒(Holger Müller)表示,氢化氩指示了太空中非常重要的一种环境。

    分子新世界

    很多潜伏在恒星与星云中的分子都是极端条件下的产物,这些分子被握在手中时看起来是什么样的,摸上去感受如何?这样的问题毫无意义,因为你永远也抓不住它们——它们会瞬间反应变成其他物质。如果你真的有机会接触到它们,很不幸,人们已经证明这些分子几乎都有毒性和致癌性。奇特的是,科学家对于其中一些分子的气味有着初步的看法:目前发现的很多分子被属于芳香族化合物。这一类物质是苯的衍生物,它们正是因为浓郁的气味而得名。

    一些新型化合物展现出惊人的原子结构,原子间以前所未见的方式共享电荷,这向现今的成键理论提出了挑战。一个案例是SiCSi分子,它于今年在一颗处于生命末期的恒星上被发现。在这种分子中,两个硅原子与一个碳原子以一种意想不到的方式成键。这个分子的结构相对松散,其发出的光谱也与理论模型的预测截然不同。

    太空分子有机会帮助我们解开一个宇宙基本问题的谜底:生命是如何起源的?科学家们不知道氨基酸这种构成生命的基本物质是先出现在地球,还是首先出现在外太空,而后被彗星和陨石带到地球上。“关键问题是,氨基酸是在恒星形成时的分子云中诞生,还是在行星或其他岩石表面出现?”韦弗发问道。这个问题的答案将决定氨基酸是在宇宙中随处可见、生命的种子可能在无数行星上播种,还是仅仅在我们的星球上发芽。天体化学家已经在宇宙中找到氨基酸以及可能形成氨基酸的分子序列的踪迹。

    这些罕见分子的另一个意义在于,如果其中一些能够在可控条件下大量制备并储存,它们或可为我们所用。“人们对于宇宙化学最大的期望就是找到具有全新特质的分子,并且用它们解决地球上的难题,”福滕贝里憧憬道。一个案例是足球形状的分子富勒烯,也被称作“巴基球”,这种由60个碳原子组成的物质最初于1985年在实验室被合成(顺带一提,其发现者因为这项工作获得了诺贝尔奖)。近十年后,天文学家在星际气体中发现了光谱特征与带正电荷的富勒烯一致的分子。这一关联在今年七月得到证实,研究者在实验室类似太空的环境中创造出富勒烯,光谱分析的结果与之前在宇宙中的发现一致。“现在,这种分子遍布银河系甚至全宇宙。”富勒烯的共同发现者之一,现任佛罗里达州立大学化学教授的哈罗德·克罗托(Harold Kroto)介绍道。富勒烯不仅是太空中奇特的发现,它在纳米科技中是一种实用的工具,能被用来增加材料强度、提升太阳能电池性能,甚至用于制药领域。

    尽管太空分子的研究不断取得进展,但对太空分子的深奥世界,科学家只接触到了冰山一角。这些已经浮出水面的发现告诉我们,我们生活的世界只是宇宙中不起眼的一个角落, 也不具备代表性,不能以其为范例判断何种物质可以存在。或许,我们所熟悉的物质在整个宇宙中是不常见的,而巴基球、C3H+以及更多我们尚未发现的物质却是宇宙中的主要成分。(撰文:Clara Moskowitz翻译:柯石英校审:张程)

    原文链接:https://www.scientificamerican.com/article/the-hunt-for-alien-molecules/

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