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宇宙中冰覆盖的尘埃颗粒有什么重要的化学反应影响?

来自马克斯·普朗克天文研究所和耶拿大学天文学家对自然界微小的深空实验室有了更清晰认识:覆盖着冰的微小尘埃颗粒。

来自马克斯·普朗克天文研究所和耶拿大学天文学家对自然界微小的深空实验室有了更清晰认识:覆盖着冰的微小尘埃颗粒。这些颗粒不是被厚厚冰覆盖的规则形状,而是看起来是蓬松的尘埃网络,上面有薄薄的冰层。特别值得一提的是,这意味着尘埃颗粒的表面要大得多,这是大多数化学反应发生的地方。因此,这种新的结构对天文学家太空有机化学的看法产生了根本性影响。

宇宙中冰覆盖的尘埃颗粒有什么重要的化学反应影响?

从而对可能对地球生命起源起到重要作用的益生菌分子起源产生了根本性影响。在深空中创造复杂的分子绝非易事,据目前所知,进行必要反应的自然实验室是表面结冰的星际尘埃颗粒。现在,耶拿大学MPIA实验室天体物理学小组的Alexey Potapov和同事们的新实验结果表明,在现实条件下,冰层很可能非常薄,以至于尘埃颗粒本身的表面结构起着重要作用。这开辟了一个新研究领域,那些对生命有机前体分子宇宙起源感兴趣的人:

宇宙中冰覆盖的尘埃颗粒有什么重要的化学反应影响?

将需要更仔细地研究宇宙尘埃颗粒表面的不同性质,它们与少量冰的相互作用,以及由此产生的复杂环境在帮助合成复杂有机分子方面所起的作用。当思考生命以及我们自己是如何进入这个宇宙的时候,有几个重要的步骤,包括物理、化学和生物学。据我们所知,生命起源的最早生物学故事发生在地球上,但无论是物理还是化学都不是这样:大多数化学元素,包括碳和氮,都是由恒星内部的核聚变产生。

形成机制

分子,包括形成氨基酸所必需的有机分子,或者生命的DNA,可以在星际介质中形成。在探测器成功直接分析宇宙尘埃的少数情况下,即星尘和罗塞塔任务,分析发现了复杂的分子,如简单的氨基酸甘氨酸。在行星系统的演化过程中,有机分子可以被陨石和早期彗星运送到行星表面。首先,在恒星之间几乎空旷的空间里,这些分子是如何形成的,这根本不是一个简单的问题。在外层空间,大多数原子和分子都是超薄气体的一部分。

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几乎没有任何相互作用,更不用说建立更复杂有机分子所需的相互作用了。20世纪60年代,对星际化学感兴趣的天文学家开始提出这样的想法,即星际尘埃颗粒可以作为“星际实验室”,这将促进更复杂的化学反应。这种颗粒,无论是碳基还是硅酸盐,通常形成于冷星的外层或超新星爆炸后。在一团气体和尘埃中,不同种类的分子会粘附在(冷的)颗粒上,分子会聚集,最终会发生有趣的化学反应。

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具体地说,尘埃颗粒积累一层冰(主要是水冰,但也有其他一些分子,如一氧化碳)需要大约10万年的时间,然后,这个冰层将成为一个小型的宇宙化学实验室。对这个话题感兴趣的天文学家很快意识到,他们需要实验来解释对星际气体云的观测。需要在地球实验室里研究被冰覆盖的尘埃颗粒及其与分子的相互作用。为此,将使用真空室,模拟空间的空旷,以及适当的温度。由于当时的假设是计算冰面上的化学物质。

人造尘埃颗粒

因此使用冰层进行此类实验成为一种常见的做法,适用于普通表面,如溴化钾(KBr)水晶板或金属表面。但新研究结果显示,这充其量只能是情况的一部分。行星形成和寻找生命起源是马克斯·普朗克天文学研究所(MPIA)的关键研究目标,而冰尘颗粒对这两个目标都起着重要作用。这就是为什么自2003年以来,MPIA一直在耶拿弗里德里希·席勒大学固体物理研究所设立实验室天体物理和星团物理小组。

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该小组的部分设备是激光,可以用来制造人造宇宙尘埃颗粒。为此,激光对准石墨样品,侵蚀(烧蚀)表面的微小颗粒,直径仅为纳米(1纳米等于十亿分之一米)。研究这种人造尘埃颗粒,诱导它们表面形成不同种类的冰时,开始对厚厚冰面上的化学标准图片产生怀疑。在实验室中产生的尘埃颗粒尽可能接近现实深空条件,而不是像洋葱一样完全被几层固体冰(水冰或一氧化碳冰)完全覆盖的颗粒,而是延伸、许多卷须状的形状-由灰尘和冰组成的蓬松网络。

宇宙中冰覆盖的尘埃颗粒有什么重要的化学反应影响?

有了这种形状,总表面积比简单形状的要大得多(几百倍),这对于计算分子云中检测到的水量将如何覆盖一些颗粒来说是一个颠覆性的游戏规则:从表面积较小的颗粒,因此完全被可用水覆盖,研究得到了一个更延伸的表面,在一些地方会有更厚的层,而在其他地方只有一层冰晶,仅仅因为没有足够的水,用几层冰覆盖所有巨大延伸的表面积。这种结构对冰尘颗粒作为微型宇宙实验室的作用有着深远影响。

尘埃颗粒的重要作用

化学反应取决于粘在表面的分子,以及这些分子如何四处移动(消散)、如何与其他分子相遇、反应、被粘住或再次松开。在新的、蓬松的、尘土飞扬的宇宙实验室里,这些环境条件完全不同。现在研人员知道了尘埃颗粒的重要性,一个新的参与者进入了天体化学的游戏。知道新的参与者在那里给了我们更好的机会来理解基本化学反应,这些化学反应可能会在以后的阶段导致宇宙中生命的出现。此外,如果颗粒不隐藏在厚厚的冰层下,但可以与附着在表面的分子相互作用。

宇宙中冰覆盖的尘埃颗粒有什么重要的化学反应影响?

这条可以起到催化剂的作用,仅仅通过它们的存在就可以改变化学反应速度。突然之间,某些形成有机分子的反应,如甲醛或某些氨化合物,应该会变得更加普遍。两者都是生命前分子的重要前身,因此,焦点的改变将直接影响我们对地球生命化学史的解释。这些都是探索复杂分子在太空中形成令人兴奋的新方向。为了跟进研究,MPIA刚刚开设了新的”生命起源“实验室,该实验室是为这一新型研究量身定做。

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