馬克斯·普朗克天文研究所的天文學家對自然界的微小深空實驗室：覆蓋著冰的微小的塵埃顆粒，進行了歷史上最深入的研究。這些顆粒看起來不是蓬鬆的塵埃網絡，而是薄薄的冰層，不是規則形狀的冰的厚厚覆蓋。特別是，這意味著塵埃顆粒具有較大的表面，這是大多數化學反應發生的地方。這種新結構對天文學家關於太空中有機化學的認知具有基本的影響，因此對可能在地球生命起源中發揮重要作用的益生元分子的產生也具有重要意義。
如上圖所示塵埃顆粒（灰色）與冰分子（藍色）的混合，以及促進深空化學處理的主要外部影響：熱量、原子轟擊、紫外線輻射和宇宙射線的宇宙粒子流。
在深空創造複雜的分子絕非易事。據目前所知，發生必要反應的自然實驗室是表面結冰的星際塵埃顆粒。該研究的新實驗結果表明，在現實條件下，冰層很薄，以致塵粒本身的表面結構起著重要作用。
這開闢了一個新的研究領域：對生命的有機前體分子的宇宙起源感興趣的人，將需要仔細研究宇宙塵埃顆粒表面的不同性質，以及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是如何進入這個宇宙時，有幾個重要步驟需要考慮，包括物理、化學和生物學。最早的生物學故事發生在地球上，但是對於無論是物理還是化學卻並非如此：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的。
分子，包括形成胺基酸所需的有機分子或我們自己的DNA，可以在星際介質中形成。在少數情況下能夠直接探測分析宇宙塵埃，分析發現了複雜的分子，例如簡單的胺基酸甘氨酸。在行星系統演化的過程中，有機分子可以通過隕石和早期彗星傳輸到行星表面。
最初，這些分子如何在恆星之間幾乎真空的範圍內形成，這不是一個簡單的問題。在外層空間中，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，更不用說構建更複雜的有機分子所需的相互作用了。
在1960年代，對星際化學感興趣的天文學家開始提出這樣的想法，即星際塵埃可以充當「星際實驗室」，這將促進更複雜的化學反應。這種晶粒，無論是碳基還是矽酸鹽基，通常都在冷恆星的外層或超新星爆炸後形成。在氣體和塵埃雲中，不同種類的分子會粘附在冷物粒上，分子會積聚，最終會發生有趣的化學反應。具體而言，灰塵顆粒積聚冰幔（主要是水冰，還有一些其他分子，如一氧化碳）大約需要10萬年。然後，該冰冷層將充當一個微小的宇宙化學實驗室。
對這個話題感興趣的天文學家很快意識到，他們需要進行實驗才能解釋他們對星際氣雲的觀察。他們將需要在地球上的實驗室中研究被冰覆蓋的塵埃顆粒及其與分子的相互作用。為此，他們將使用真空室，模擬空間的空度以及適當的溫度。由於當時的假設是冰表面上的化學物質，因此在這種實驗中使用冰層已成為慣例，這種冰層適用於普通表面，例如溴化鉀（KBr）晶體板或金屬表面。但是，新結果表明，充其量只是一部分。
如上圖所示的人造宇宙塵埃粒子的電子顯微鏡圖像，解析度不同（左側為透射電子顯微鏡，右側為掃描電子顯微鏡）。兩者均顯示出晶粒的複雜，複雜的表面結構，從而導致較大的表面。
馬克斯·普朗克天文研究所一直將探索行星的形成以及生命的起源作為主要研究目標，而冰粒塵對這兩者都起著重要作用。因此，自2003年以來，該研究所設立了一個實驗室天體物理和團簇物理研究小組。
該小組設備的一部分是可用於製造人造宇宙塵埃粒子的雷射器。將雷射對準石墨樣品，從表面侵蝕消融微小的顆粒，其直徑僅為納米（一納米等於十億分之一米）。研究人員研究這種人造塵埃顆粒時，會在表面上形成不同種類的冰，他們開始對標準圖像的結冰的表面化學過程產生懷疑。
它們在實驗室產生的塵埃顆粒並沒有像洋蔥那樣完全被幾層固態冰（水冰或一氧化碳冰）完全覆蓋，而是儘可能多地貼近現實的深空條件，並進行了多次鋸切形狀，即蓬鬆的灰塵和冰網絡。
使用這種形狀，它們的總表面積比簡單形狀大到幾百倍之多，這是改變分子雲中檢測到的水如何覆蓋某些物粒的計算規則。由於表面積較小，因此被可用的水完全覆蓋，因此到達的表面更擴展，在某些地方將具有較厚的層，而在其他地方，僅存在一層冰晶，這是因為沒有足夠的水覆蓋所有巨大的表面積的幾層冰。
這種結構對冰塵顆粒作為微小的宇宙實驗室的作用具有深遠的影響。化學反應取決於已粘附在表面的分子，以及這些分子如何移動消散，與其他分子相遇發生反應，變得粘附或不再粘附。在新的、蓬鬆的、塵土飛揚的宇宙實驗室中，這些環境條件完全不同。
研究人員說：「現在我們知道塵粒的重要性，新的因素已經進入。了解新參與者可以使我們有更好的機會了解在以後階段可能導致生命出現在宇宙中的化學過程的基本化學反應。」
同樣，如果微粒沒有隱藏在厚厚的冰層下，而是可以與粘附在表面上的分子相互作用，則它們可以充當催化劑，僅通過它們的存在即可改變化學反應的速率。突然，某些形成有機分子（如甲醛）或某些氨化合物的反應應變得更加普遍。兩者都是益生元分子的重要前體，因此焦點的改變將直接影響我們對地球化學生命史的解釋。
研究人員表示：「這些是尋找太空中複雜分子形成的令人振奮的新方向。作為後續行動，普朗克天文研究所剛剛開設了新的「生命起源」實驗室以進行新型的研究。」
一般而言，新的結果以及先前實驗中獲得的許多類似結果構成了對天體化學界的警示：如果想了解星際介質中的天體化學及其對生命起源的影響，遠離洋蔥似的冰層，擁抱灰塵表面的作用，擁抱這個大自然的微小宇宙實驗室。
該最新研究論文發表在最近的《物理評論快報》上。
參考：Ice Coverage of Dust Grains in Cold Astrophysical Environments. Phys. Rev. Lett.124, 221103 – Published 5 June 2020