地球實驗室中重現土衛六大氣結構


在地球之外,普遍的科學共識是,尋找外星生命證據的最佳地點是火星。但是,它絕不是唯一的地方。除了指定為潛在宜居的許多太陽系外行星之外,太陽系中還有許多其它候選天體,它們包括許多冰冷的衛星,這些衛星具有可能藏有生命的內部海洋。

其中之一是土星最大的衛星土衛六(Titan),它的大氣層與地表之間發生各種有機化學反應。一段時間以來,科學家一直懷疑,對泰坦大氣的研究可能會為地球生命演化的早期階段提供重要線索。一組研究人員成功在實驗室的創造了土衛六的大氣條件。

我們今天對泰坦了解的大部分歸功於卡西尼號(Cassini)太空船,它於2004年至2017年環繞土星運行,並飛入土星大氣層而完結任務。在這段時間裡,卡西尼號對土衛六的大氣層進行了許多直接測量,看到令人驚訝,類似於地球的環境。基本上,土衛六是太陽系中唯一具有稠密氮氣和發生有機過程的另外一顆天體。

特別有趣的是,科學家認為大約二十八億年前的地球大氣層十分相似。這與地球遠古的中太古代(Mesoarchean)相吻合,在那個時期,光合作用的藍細菌創造了第一個珊瑚礁系統,並緩慢地將地球上的二氧化碳轉化為氧氣(最終導致了目前氮和氧的平衡)。

人們認為,泰坦的表面具有線索,可以增進我們對太陽系中生命如何出現的了解,但要清楚了解該表面是一個問題。其原因與土衛六的大氣有關,它的大氣因為受到濃密化學霧滲透,出現散射現象。

土衛六的陰霾由納米微粒組成,這些納米微粒由各種各樣含有碳、氫和氮的大而復雜的有機分子組成。當紫外線和宇宙輻射撞擊甲烷、氮和其它氣體的混合物時,這些分子以一系列化學反應的形式形成在土衛六的大氣之中。

結果,科學家對推動土衛六大氣的過程仍然不甚了解,其中包括構成這種煙霧的大分子的確切化學結構。幾十年來,天體化學家一直在用稱為托林(Tholins)的類似有機分子進行實驗室實驗,托林是古希臘文「混濁不清」(θολός)的衍生詞。

托林是指當暴露於太陽紫外線或宇宙射線時形成的多種有機含碳化合物。這些分子在外太陽系中很常見,通常在冰體中發現,該冰體表層含有暴露於輻射的甲烷冰。它們的存在由外觀呈紅潤色的表面特徵,或者具有棕褐色的污漬。

為了進行研究,由法比安·舒爾茨(Fabian Schulz)博士和朱利安·美拉德(Julien Maillard)博士領導的團隊進行一項實驗,他們在實驗室環境中觀察形成過程中各個階段的托林。

研究團隊用甲烷和氮氣的混合物裝滿不銹鋼容器,然後通過放電觸發化學反應,從而模擬土衛六大氣中的條件。然後,在蘇黎世的實驗室中分析了一百多個組成土衛六托林的分子,通過低溫原子顯微鏡,可以獲得大約十幾個原子分辨率的圖像。

通過解析不同大小的分子,研究小組獲得這些霧狀分子生長的不同階段以及它們的化學外觀。本質上,他們觀察到土衛六大氣中形成和積累的主要成分,從而產生出土衛六著名的朦朧效果。

這是我們第一次看到合成化合物的分子結構,類似於那些導致土衛六大氣層呈橙色霧狀的化合物。該應用程序現在提供一種令人興奮的新工具,可用於分析天體生物材料,包括隕石和行星返回的樣本。

更重要的是,他們的研究結果也可能揭開了土衛六基於甲烷的水文循環。在地球上,這個循環由水在氣態(水蒸氣)和液態(雨水和地表水)之間轉換組成。在土衛六上,液態甲烷與氣態甲烷發生了相同的循環,甲烷雨從大氣中的甲烷氣體轉變而來,並隨著甲烷雨而下降,形成了土衛六著名的碳氫化合物湖。

在這種情況下,研究小組的結果可以揭開化學霧在土衛六甲烷循環中的作用,包括這些納米粒子是否可以漂浮在甲烷湖上。此外,這些發現可以揭開數十億年前地球大氣層類似的氣溶膠是否有助於地球上的生命發展。

我們現在用電子顯微鏡拍攝到的分子結構是紫外線的良好吸收劑。這意味著霧霾可能起到了保護地球早期表面的DNA分子免受輻射破壞的作用。

如果這個理論是正確的,研究小組的發現不僅可以幫助科學家了解地球上出現生命的條件,還可以指出土衛六上可能存在生命。科學家在1980年代初首次意識到這顆衛星的神秘本質,當時航行者一號(Voyager 1)和二號太空船都曾經飛掠土星系統。

美國太空總署計劃在2030年代之前向土衛六派遣名為「蜻蜓」的無人駕駛旋翼機(rotorcraft),以探索土衛六表面和大氣並尋找可能的生命跡象。與往常一樣,在此期間進行的理論工作和實驗室實驗,將使科學家聚焦,並增加任務(一旦到達)發現尋找目標的機會率。

【圖:美國太空總署;文:節譯自今日宇宙網頁】 研究全文刊登在2021年2月12日出版的《天體物理學快報》

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