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星際塵埃表面一氧化碳冰的結晶相變對復雜分子的形成具有重要意義

2021-07-09 13:40:06 來源：科技日報

近日，德國馬克斯普朗克天文學研究所生命起源實驗室負責人何佼博士團隊首次發現，星際塵埃表面一氧化碳冰的結晶相變對宇宙中復雜分子的形成具有重要意義。這一發現可能為宇宙中生命起源之謎提供新線索。相關成果發表在《天體物理學雜志快報》上。

生命起源一直是科學界的重大未解之謎。過去幾十年里，天文學家在太空的星際云中發現了眾多有機分子，其中的復雜有機分子可能隨著隕石、彗星等落到地球上，成為地球生命形成的基礎。要解開生命起源這一重大謎題，首先要解釋一個關鍵問題：這些啟動地球生命的重要有機分子，是如何在分子云稀薄且低溫的環境中形成的？

恒星之間的分子云密度非常低，即使是最密集的地方，大氣密度也僅相當于地球上大氣密度的百萬億分之一。在這種條件下，普通的化學反應很難發生。上世紀六十年代，科學家們提出了一個構想：星際塵埃顆粒好像一個“微型宇宙實驗室”，復雜化學反應正是在這些“宇宙實驗室”里發生的。這種塵埃顆粒基于碳或硅酸鹽，直徑小于一微米，通常形成于冷恒星的外層或超新星爆炸。在星際分子云中，這些塵埃顆粒會在外層積聚一層冰，而這些冰層就是一個微小的“宇宙化學實驗室”。

這些冰層的厚度通常為幾十個單分子層，呈洋蔥狀結構。“洋蔥”的內層主要是水冰，以及少量的二氧化碳、氨等分子。其外層主要是一氧化碳冰，以及甲醇或甲醛等有機物。它還可能含有氫和氧原子，以及其他化學活性特別高、特別可能參與化學反應的被稱為“自由基”的化合物，如羥基、甲酰基、甲氧基、羥甲基等。

此前的實驗及理論研究表明，一氧化碳冰層中這些活性物質之間的化學反應形成了許多復雜有機分子。但科學家在解釋冰層里的化學反應時，碰到了一個難題：冰層溫度極低（約10開爾文，即零下263攝氏度），幾乎所有分子、原子和自由基都凍結成冰，嵌在一氧化碳冰中的反應物無法自由移動，也就不能聚集在一起完成化學反應。這就無法解釋太空中探測到的復雜有機物是如何形成的，也和以往的冰層里復雜有機物生成相關實驗研究結果相矛盾。

為攻克這一難題，德國馬克斯普朗克天文學研究所與美國雪城大學合作，設計了一系列模擬實驗，在實驗室中模擬致密分子云的超高真空以及極低溫條件，在水冰表面覆蓋一氧化碳冰層，用以研究一氧化碳冰層的結晶過程。他們發現在大約10開爾文（致密分子云的典型溫度）左右時，一氧化碳冰層由非晶態（分子無序排列）變成多晶態（分子形成許多微小的晶體），在這一過程中，嵌在一氧化碳冰層里的其他分子和自由基可以在冰中移動并聚集成團，從而發生化學反應，為更復雜的化學反應鋪平了道路。

何佼博士在接受科技日報記者采訪時表示：“根據這一研究，我們推斷在恒星形成初期的星云環境下，大部分塵埃表面的一氧化碳都處于多晶態，結晶這一相變過程在宇宙中極為常見；與之同時發生的是各種復雜有機分子的生成。我們可以由此推斷，一氧化碳結晶相變對于整個宇宙中復雜有機分子生成，乃至最終生命的出現都具有相當重要的意義。”

標簽：星際塵埃一氧化碳冰結晶復雜分子