NASA科學家在土衛六大氣層中發現 「奇怪」的碳基分子

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橫幅圖片：土衛六的這些紅外圖像代表了關於這顆冰冷衛星表面最清晰的全球視野。這些圖像是由美國國家航空航天局（NASA）「卡西尼」號（Cassini）所搭載的視覺和紅外成像光譜儀（VIMS）採集的13年的數據形成。來源：NASA/噴氣推進實驗室-加州理工學院（JPL-Caltech）/南特大學（University of Nantes）/亞利桑那大學（University of Arizona）。

NASA的科學家在土衛六泰坦（Titan）的大氣層中發現了一種從未在其他星球大氣層中發現的分子。事實上，許多化學家幾乎沒有聽說過，也不知道如何拼寫這種分子：環丙烯亞基（cyclopropenylidene）或C3H2。科學家們表示，這種簡單的碳基分子可能是更複雜化合物的前體，這些化合物可以在土衛六上形成或供養潛在的生命。

2005年1月14日，歐洲航天局（ESA）的惠更斯號（Huygens）探測器在成功降落到土衛六表面時傳回了這張圖像。該彩色圖像經過處理，添加了反射光譜數據，以便更好地顯示土衛六表面的實際顏色。

來源:NASA/噴氣推進實驗室（JPL）/ESA/亞利桑那大學

研究人員通過位於智利北部的大型射電望遠鏡陣，阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）發現了C3H2。他們在對望遠鏡收集到的獨特的光信號光譜進行篩選時注意到了由碳和氫構成的C3H2。C3H2分子通過釋放或吸收的能量，揭示了土衛六大氣的化學成分。

NASA戈達德太空飛行中心（Goddard Space Flight Center）的行星科學家康納·尼克森（Conor Nixon）表示：「當我意識到自己看到的是環丙烯亞基時，我最先想到的是，『嗯，這真是太出乎意料了。』」。尼克森團隊的研究發現刊載於10月15日發布的《天文學雜誌》（Astronomical Journal）月刊上。

儘管科學家們已經在星際空間發現了C3H2，但在大氣層中發現它的確有些出乎意料。這是由於環丙烯亞基很容易與其接觸到的其他分子反應，形成其他不同的化合物。迄今為止，天文學家僅在飄浮於恆星系統間的氣體塵埃雲中發現了C3H2。換言之，發現C3H2之處都是一些非常寒冷、非常分散，無法促進化學反應發生的區域。

但是像土衛六這樣稠密的大氣層可以為潛在的化學反應提供有利條件，這是科學家們對這顆衛星感興趣的一個主要原因，而土衛六也是NASA即將到來的「蜻蜓」（Dragonfly）任務的目的地。尼克森的研究團隊之所以能夠在土衛六上識別出少量的C3H2，可能是由於他們觀測的是土衛六大氣層的上層，那裡能夠與C3H2發生相互作用的其他氣體較少。科學家們目前尚不清楚為什麼環丙烯亞基會出現在土衛六的大氣層中，而不是在其他星球的大氣層中。尼克森表示：「土衛六在太陽系中是獨一無二的，毫無疑問，它的確是新分子的寶庫。」

土衛六是土星目前已知的62顆衛星中最大的一顆，它是一個有趣的星球。從某些方面而言，土衛六是迄今為止發現的與地球最相似的一顆星球。不像太陽系裡的其他200多顆衛星，土衛六的大氣層密度是地球的4倍，還存在雲層、雨水、湖泊和河流，甚至還有地下鹹水海洋。

土衛六的大氣主要由氮和少量甲烷組成。當甲烷和氮分子分解，其組成原子釋放，形成了一個複雜的有機化學網絡，這引起了科學家們的重視。同時，也使這顆衛星被列為NASA關於探索太陽系中過去和現在的生命跡象的重要探索目標。

NASA 噴氣推進實驗室的高級研究科學家，土衛六專家羅莎莉·洛普斯（Rosaly Lopes）表示：「我們正試圖弄清楚土衛六是否適宜居住。因此，我們想知道土衛六大氣中有什麼化合物到達了地表。然後，這些物質是否能穿過冰層到達地表之下的海洋。因為我們認為海洋擁有適宜生命存在的條件。」

那些可能存在於土衛六表面的分子類型可能與地球上形成生命基石的分子類型相同。科學家們猜測，在38億至25億年前，早期地球的空氣中充滿了甲烷而非氧氣。當時的情況可能與土衛六現在的情況相似。

NASA戈達德太空飛行中心的天體生物學家梅麗莎·特雷納（Melissa Trainer）表示：「我們把土衛六看作是一個真實的實驗室，在這裡我們可以看到和遠古地球在孕育生命時所進行的類似的化學反應。」特雷納是蜻蜓號任務的副首席研究員，也是蜻蜓號旋翼飛行器上用於分析土衛六表面成分的儀器的負責人。

特雷納表示：「我們將尋找比C3H2更大的分子。但我們需要知道大氣中發生了什麼，以便了解導致複雜有機分子形成並掉落到星球表面的化學反應。」

NASA的蜻蜓號任務旨在探索土衛六的化學成分和宜居性。

來源：NASA戈達德太空飛行中心/約翰霍普金斯大學應用物理實驗室(Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory

迄今為止，環丙烯亞基是除了苯之外，在土衛六的大氣層中發現的唯一一種環狀或閉環分子。雖然C3H2目前還未被用於現代生物反應，但像這樣的閉環分子非常重要，因為它們構成了DNA鹼基和RNA鹼基的骨架環。DNA的複雜化學結構承載著生命的遺傳密碼，而RNA是關乎生命體功能的另一種關鍵化合物。與尼克森共同發現C3H2的天體生物學家亞歷山大·泰倫（Alexander Thelen）表示：「閉環分子的環狀特性使構建這些具有重要生物學意義的分子成為可能。」

泰倫和尼克森等科學家正在使用高靈敏度的大型地面望遠鏡尋找土衛六大氣中與生命相關的最簡單的碳分子。在此之前，苯（C6H6）被認為是在任何行星大氣層中發現的複雜環狀烴分子的最小單位。但如今，這個地位似乎已被C3H2所取代。

2016年，尼克森的研究團隊利用ALMA大型射電望遠鏡陣觀測土衛六。他們驚奇地發現了一種奇怪的化學指紋，尼克森通過搜索所有已知分子光譜特徵的資料庫，將其確定為環丙烯亞基。

迄今為止，環丙烯亞基只在氣體雲和塵埃分子雲中被探測到，比如金牛座的恆星搖籃，位於400光年之外的金牛座分子雲（Taurus Molecular Cloud）。最近，NASA戈達德太空飛行中心的科學家康納·尼克森和其團隊在土衛六的大氣中發現了這種獨特的分子。這是首次在分子雲之外的地方探測到環丙烯亞基。環丙烯亞基是除苯之外唯一在土衛六上被探測到的閉環分子。閉環分子很重要，因為它們構成了DNA鹼基和RNA鹼基的骨架環。DNA的複雜化學結構承載著生命的遺傳密碼，而RNA是關乎生命體功能的另一種關鍵化合物。來源：康納·尼克森/NASA戈達德太空飛行中心

為了再次確認研究人員的確看到了這種不尋常的化合物，尼克森仔細研究了通過對NASA卡西尼號探測器在2004至2017年間對土衛六進行的127次近距離飛越獲得的數據進行分析後發表的研究論文。他想看看卡西尼號上的探測儀器是否能證實他的新研究成果。這臺被稱為質譜儀（mass spectrometer）的儀器捕捉到土衛六上許多神秘分子的跡象，科學家們仍在試圖識別這些分子。事實上，卡西尼號已經發現了環丙烯亞基分子的帶電形式，即C3H3+的存在證據。

鑑於這是一個罕見的發現，科學家們正試圖對環丙烯亞基進行進一步研究，了解它如何與土衛六大氣中的氣體相互作用。

JPL的行星科學家麥可·馬拉斯卡（Michael Malaska）表示：「環丙烯亞基是一種非常奇怪的小分子，它不是你在高中化學甚至本科化學中學到的那樣。在地球上，你是不會遇到這種情況的。」馬拉斯卡曾在製藥行業工作，對土衛六產生興趣後改行對其進行研究。

不過，馬拉斯卡表示，找到像C3H2這樣的分子對於了解土衛六的全貌至關重要：「你所發現的每一小塊碎片和一小部分都有助於將土衛六上發生的所有事情組合在一起。」

來源：

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/nasa-scientists-discover-a-weird-molecule-in-titan-s-atmosphere/

來源：NASA愛好者