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星際塵埃表面一氧化碳冰的結(jié)晶相變對復(fù)雜分子的形成具有重要意義

2021-07-09 13:40:06 來源：科技日報(bào)

近日，德國馬克斯普朗克天文學(xué)研究所生命起源實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人何佼博士團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)，星際塵埃表面一氧化碳冰的結(jié)晶相變對宇宙中復(fù)雜分子的形成具有重要意義。這一發(fā)現(xiàn)可能為宇宙中生命起源之謎提供新線索。相關(guān)成果發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》上。

生命起源一直是科學(xué)界的重大未解之謎。過去幾十年里，天文學(xué)家在太空的星際云中發(fā)現(xiàn)了眾多有機(jī)分子，其中的復(fù)雜有機(jī)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(chǔ)。要解開生命起源這一重大謎題，首先要解釋一個(gè)關(guān)鍵問題：這些啟動(dòng)地球生命的重要有機(jī)分子，是如何在分子云稀薄且低溫的環(huán)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(dāng)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(xué)反應(yīng)很難發(fā)生。上世紀(jì)六十年代，科學(xué)家們提出了一個(gè)構(gòu)想：星際塵埃顆粒好像一個(gè)“微型宇宙實(shí)驗(yàn)室”，復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)正是在這些“宇宙實(shí)驗(yàn)室”里發(fā)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(gè)微小的“宇宙化學(xué)實(shí)驗(yàn)室”。

這些冰層的厚度通常為幾十個(gè)單分子層，呈洋蔥狀結(jié)構(gòu)。“洋蔥”的內(nèi)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(jī)物。它還可能含有氫和氧原子，以及其他化學(xué)活性特別高、特別可能參與化學(xué)反應(yīng)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(shí)驗(yàn)及理論研究表明，一氧化碳冰層中這些活性物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)形成了許多復(fù)雜有機(jī)分子。但科學(xué)家在解釋冰層里的化學(xué)反應(yīng)時(shí)，碰到了一個(gè)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(jié)成冰，嵌在一氧化碳冰中的反應(yīng)物無法自由移動(dòng)，也就不能聚集在一起完成化學(xué)反應(yīng)。這就無法解釋太空中探測到的復(fù)雜有機(jī)物是如何形成的，也和以往的冰層里復(fù)雜有機(jī)物生成相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果相矛盾。

為攻克這一難題，德國馬克斯普朗克天文學(xué)研究所與美國雪城大學(xué)合作，設(shè)計(jì)了一系列模擬實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)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(jié)晶過程。他們發(fā)現(xiàn)在大約10開爾文（致密分子云的典型溫度）左右時(shí)，一氧化碳冰層由非晶態(tài)（分子無序排列）變成多晶態(tài)（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(dòng)并聚集成團(tuán)，從而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，為更復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)鋪平了道路。

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

標(biāo)簽：星際塵埃一氧化碳冰結(jié)晶復(fù)雜分子