研究發現：宇宙中冰覆蓋的塵埃顆粒，有重要的化學反應影響！

2020-10-18 博科園

    來自馬克斯·普朗克天文研究所和耶拿大學天文學家對自然界微小的深空實驗室有了更清晰認識：覆蓋著冰的微小塵埃顆粒。這些顆粒不是被厚厚冰覆蓋的規則形狀，而是看起來是蓬鬆的塵埃網絡，上面有薄薄的冰層。特別值得一提的是，這意味著塵埃顆粒的表面要大得多，這是大多數化學反應發生的地方。因此，這種新的結構對天文學家太空有機化學的看法產生了根本性影響。

    從而對可能對地球生命起源起到重要作用的益生菌分子起源產生了根本性影響。在深空中創造複雜的分子絕非易事，據目前所知，進行必要反應的自然實驗室是表面結冰的星際塵埃顆粒。現在，耶拿大學MPIA實驗室天體物理學小組的Alexey Potapov和同事們的新實驗結果表明，在現實條件下，冰層很可能非常薄，以至於塵埃顆粒本身的表面結構起著重要作用。這開闢了一個新研究領域，那些對生命有機前體分子宇宙起源感興趣的人：

    將需要更仔細地研究宇宙塵埃顆粒表面的不同性質，它們與少量冰的相互作用，以及由此產生的複雜環境在幫助合成複雜有機分子方面所起的作用。當思考生命以及我們自己是如何進入這個宇宙的時候，有幾個重要的步驟，包括物理、化學和生物學。據我們所知，生命起源的最早生物學故事發生在地球上，但無論是物理還是化學都不是這樣：大多數化學元素，包括碳和氮，都是由恆星內部的核聚變產生。

    形成機制

    分子，包括形成胺基酸所必需的有機分子，或者生命的DNA，可以在星際介質中形成。在探測器成功直接分析宇宙塵埃的少數情況下，即星塵和羅塞塔任務，分析發現了複雜的分子，如簡單的胺基酸甘氨酸。在行星系統的演化過程中，有機分子可以被隕石和早期彗星運送到行星表面。首先，在恆星之間幾乎空曠的空間裡，這些分子是如何形成的，這根本不是一個簡單的問題。在外層空間，大多數原子和分子都是超薄氣體的一部分。

    幾乎沒有任何相互作用，更不用說建立更複雜有機分子所需的相互作用了。20世紀60年代，對星際化學感興趣的天文學家開始提出這樣的想法，即星際塵埃顆粒可以作為「星際實驗室」，這將促進更複雜的化學反應。這種顆粒，無論是碳基還是矽酸鹽，通常形成於冷星的外層或超新星爆炸後。在一團氣體和塵埃中，不同種類的分子會粘附在(冷的)顆粒上，分子會聚集，最終會發生有趣的化學反應。

    具體地說，塵埃顆粒積累一層冰(主要是水冰，但也有其他一些分子，如一氧化碳)需要大約10萬年的時間，然後，這個冰層將成為一個小型的宇宙化學實驗室。對這個話題感興趣的天文學家很快意識到，他們需要實驗來解釋對星際氣體雲的觀測。需要在地球實驗室裡研究被冰覆蓋的塵埃顆粒及其與分子的相互作用。為此，將使用真空室，模擬空間的空曠，以及適當的溫度。由於當時的假設是計算冰面上的化學物質。

    人造塵埃顆粒

    因此使用冰層進行此類實驗成為一種常見的做法，適用於普通表面，如溴化鉀(KBr)水晶板或金屬表面。但新研究結果顯示，這充其量只能是情況的一部分。行星形成和尋找生命起源是馬克斯·普朗克天文學研究所(MPIA)的關鍵研究目標，而冰塵顆粒對這兩個目標都起著重要作用。這就是為什麼自2003年以來，MPIA一直在耶拿弗裡德裡希·席勒大學固體物理研究所設立實驗室天體物理和星團物理小組。

    該小組的部分設備是雷射，可以用來製造人造宇宙塵埃顆粒。為此，雷射對準石墨樣品，侵蝕(燒蝕)表面的微小顆粒，直徑僅為納米(1納米等於十億分之一米)。研究這種人造塵埃顆粒，誘導它們表面形成不同種類的冰時，開始對厚厚冰面上的化學標準圖片產生懷疑。在實驗室中產生的塵埃顆粒儘可能接近現實深空條件，而不是像洋蔥一樣完全被幾層固體冰(水冰或一氧化碳冰)完全覆蓋的顆粒，而是延伸、許多卷鬚狀的形狀-由灰塵和冰組成的蓬鬆網絡。

    有了這種形狀，總表面積比簡單形狀的要大得多(幾百倍)，這對於計算分子雲中檢測到的水量將如何覆蓋一些顆粒來說是一個顛覆性的遊戲規則：從表面積較小的顆粒，因此完全被可用水覆蓋，研究得到了一個更延伸的表面，在一些地方會有更厚的層，而在其他地方只有一層冰晶，僅僅因為沒有足夠的水，用幾層冰覆蓋所有巨大延伸的表面積。這種結構對冰塵顆粒作為微型宇宙實驗室的作用有著深遠影響。

    塵埃顆粒的重要作用

    化學反應取決於粘在表面的分子，以及這些分子如何四處移動(消散)、如何與其他分子相遇、反應、被粘住或再次鬆開。在新的、蓬鬆的、塵土飛揚的宇宙實驗室裡，這些環境條件完全不同。現在研人員知道了塵埃顆粒的重要性，一個新的參與者進入了天體化學的遊戲。知道新的參與者在那裡給了我們更好的機會來理解基本化學反應，這些化學反應可能會在以後的階段導致宇宙中生命的出現。此外，如果顆粒不隱藏在厚厚的冰層下，但可以與附著在表面的分子相互作用。

    這條可以起到催化劑的作用，僅僅通過它們的存在就可以改變化學反應速度。突然之間，某些形成有機分子的反應，如甲醛或某些氨化合物，應該會變得更加普遍。兩者都是生命前分子的重要前身，因此，焦點的改變將直接影響我們對地球生命化學史的解釋。這些都是探索複雜分子在太空中形成令人興奮的新方向。為了跟進研究，MPIA剛剛開設了新的」生命起源「實驗室，該實驗室是為這一新型研究量身定做。

    博科園｜研究/來自：馬克斯·普朗克學會

    研究發表期刊《物理評論快報》

    DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.221103

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