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哈勃望遠鏡再次立功!60個碳原子,宇宙最原始生命,關鍵一步邁出


伊卡洛斯操作哈勃太空望遠鏡的科學家在外太空中發現了一種非常複雜的分子。這種分子以著名的思想家巴克明斯特·富勒的名字命名,我們稱之為巴克球。它...

- 2019年6月30日10時00分
- 科學文摘 / 伊卡洛斯

伊卡洛斯

操作哈勃太空望遠鏡的科學家在外太空中發現了一種非常複雜的分子。這種分子以著名的思想家巴克明斯特·富勒的名字命名,我們稱之為巴克球。它們分子的結構是由60個碳原子(C60)組成的足球形。儘管此次並不是我們第一次在太空中發現C60分子,但卻是第一次發現C60離子(C60+)。巴克球(也叫作巴士富勒烯)是在星際介質(Interstellar

Medium,簡稱ISM,存在於恆星系之間的彌散物質和輻射)中發現的。因為星際介質是形成恆星和行星的基本物質,所以天文學家對它們非常感興趣。知道星際介質中有哪些成分有助於我們理解恆星、行星以及生命的起源。


科學家在地球上發現過少量的C60+。他們在岩石和礦物中發現過,也在高溫燃燒產生的煙塵中發現過。在星際介質中發現這些離子形態的C60是一件相當不可思議的事,因為星際介質的環境太惡劣了。太空中的C60+是被恆星電離產生的。恆星發出的紫外線從C60上奪走了一個電子,使C60分子帶上了正電荷。在太空中發現這些複雜的碳分子(C60)可以幫助我們更加了解星際介質中存在哪些物質。

星際介質的環境過於惡劣和脆弱,大分子結構明顯無法大量存在,在發現C60之前,太空中已知的最大分子只有12個原子那麼大。此次發現的C60+表明即使是在星系中密度最低、紫外線輻射最強的環境裡,天體化學也依舊無比複雜。

碳是生命形成的基石,它存量豐富,可以形成獨特而多樣的化合物。在普通的地球溫度下,碳可以形成大分子聚合物。聚合物是一類性質廣泛的分子,它們在蛋白質和DNA等活體組織中起著關鍵作用。很難想像生命缺少碳會是什麼樣子。生命以碳為存在基礎。碳是有機化學的關鍵,因為它可以形成多樣獨特的化合物家族。碳的所有這些特性都是因為碳原子的外層含有4個電子。

因為生命是由含碳分子構成的,在太空中發現像C60+這樣複雜的碳離子就成了一件很有意思的事。生命在某種程度上可以被認為是複雜化學的終極產物,C60的存在明確地表明太空環境的化學本質是極其複雜的,同時還表明太空中還可能有其他結構複雜的含碳分子存在。星際介質的主要物質是氫和氦。但其中也有一些未知的複雜分子,唯一能發現這些分子的辦法就是研究穿過它們的星光。

2010年,NASA斯皮策太空望遠鏡首次在太空中發現了固體形式的巴基球,但它們沒有帶電(離子)。星際介質中的不同元素和化合物可以阻擋或吸收特定波長的星光。科學家使用光譜分析法將光分解成不同的波長並對其進行檢測,通過這種方法精確地檢測出缺失了哪些波長,並據此推斷出相應的化學物質。這種方法在星際介質中很難操作,因為光譜法在星際介質中揭示的吸收圖案所涵蓋的光的範圍更廣,其中一些與地球上所見的圖案完全不同。

這些圖案被稱為星際彌散帶,1922年美國天文學家瑪麗·李·海格首次發現了它們。可問題是,想要在太空中確認星際彌散帶,必須得在實驗室中看到的一個可以匹配的樣本才行。但是有數百萬種不同的分子結構和與它們各自匹配的星際彌散帶,要將它們全部識別出來可能得花上幾輩子的時間。


如今,我們已經知道了400多種星際彌散帶(除了少數新近被歸為C60+的星際彌散帶),但是,目前還沒有一個能完全確認配對的,總之,星際彌散帶的出現表明太空中存在大量的富碳分子,其中一些可能與生命最終形成的化學過程有關。然而,在剩餘的星際彌散帶都被匹配之前,這種物質的構成和特性都只能是個謎。幾十年來,科學家們一直在實驗室中努力地尋找與星際彌散帶匹配的物質。進行這項新研究的團隊將實驗室中C60+的吸收圖案與哈勃望遠鏡在星際介質中觀測到的星際彌散帶進行了比較。瑞士巴塞爾大學的團隊負責觀測實驗室中的星際彌散帶。哈勃望遠鏡能從軌道上觀測到C60+的吸收數據,在軌道上地球大氣中的水蒸氣便無法阻擋它的視線。即便如此,研究團隊還是不得不將太空望遠鏡的靈敏度調到極限。

圖中的背景是螺旋行星狀星雲,它是一種由瀕死恆星噴出的膨脹的雲狀物質。藝術家將石墨烯、巴克球和C70的概念圖覆蓋在螺旋行星狀星雲的圖像上。天文學家認為,這些形式奇特的碳分子在太空中可能存在廣泛,但要識別它們卻很困難。

C60+的發現激發了研究團隊的熱情。他們繼而提出疑問:如果星際彌散物中存在這些複雜的碳分子,那麼還會有其他複雜的碳分子嗎?為了找到答案,還需要在實驗室中對其他複雜的碳分子進行更多的研究以匹配它們的星際彌散帶,這樣才能在未來星際介質的觀測中將它們匹配成對。目前,該團隊希望可以繼續在太空中尋找巴克球,看看他們到底有多普遍。科迪納認為根據他們目前的發現,C60+在銀河系中可能分布廣泛。這對地球和其他地方生命的出現和演化意味著什麼還不得而知,但這是一個有趣的研究方向。


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