來自馬克斯·普朗克天文研究所和耶拿大學(xué)天文學(xué)家對自然界微小的深空實(shí)驗(yàn)室有了更清晰認(rèn)識：覆蓋著冰的微小塵埃顆粒。這些顆粒不是被厚厚冰覆蓋的規(guī)則形狀，而是看起來是蓬松的塵埃網(wǎng)絡(luò)，上面有薄薄的冰層。

特別值得一提的是，這意味著塵埃顆粒的表面要大得多，這是大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的地方。因此，這種新的結(jié)構(gòu)對天文學(xué)家太空有機(jī)化學(xué)的看法產(chǎn)生了根本性影響。

從而對可能對地球生命起源起到重要作用的益生菌分子起源產(chǎn)生了根本性影響。在深空中創(chuàng)造復(fù)雜的分子絕非易事，據(jù)目前所知，進(jìn)行必要反應(yīng)的自然實(shí)驗(yàn)室是表面結(jié)冰的星際塵埃顆?！，F(xiàn)在，耶拿大學(xué)MPIA實(shí)驗(yàn)室天體物理學(xué)小組的Alexey Potapov和同事們的新實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在現(xiàn)實(shí)條件下，冰層很可能非常薄，以至于塵埃顆粒本身的表面結(jié)構(gòu)起著重要作用。這開辟了一個(gè)新研究領(lǐng)域，那些對生命有機(jī)前體分子宇宙起源感興趣的人：

將需要更仔細(xì)地研究宇宙塵埃顆粒表面的不同性質(zhì)，它們與少量冰的相互作用，以及由此產(chǎn)生的復(fù)雜環(huán)境在幫助合成復(fù)雜有機(jī)分子方面所起的作用。當(dāng)思考生命以及我們自己是如何進(jìn)入這個(gè)宇宙的時(shí)候，有幾個(gè)重要的步驟，包括物理、化學(xué)和生物學(xué)。據(jù)我們所知，生命起源的最早生物學(xué)故事發(fā)生在地球上，但無論是物理還是化學(xué)都不是這樣：大多數(shù)化學(xué)元素，包括碳和氮，都是由恒星內(nèi)部的核聚變產(chǎn)生。

形成機(jī)制

分子，包括形成氨基酸所必需的有機(jī)分子，或者生命的DNA，可以在星際介質(zhì)中形成。在探測器成功直接分析宇宙塵埃的少數(shù)情況下，即星塵和羅塞塔任務(wù)，分析發(fā)現(xiàn)了復(fù)雜的分子，如簡單的氨基酸甘氨酸。在行星系統(tǒng)的演化過程中，有機(jī)分子可以被隕石和早期彗星運(yùn)送到行星表面。首先，在恒星之間幾乎空曠的空間里，這些分子是如何形成的，這根本不是一個(gè)簡單的問題。在外層空間，大多數(shù)原子和分子都是超薄氣體的一部分。

幾乎沒有任何相互作用，更不用說建立更復(fù)雜有機(jī)分子所需的相互作用了。20世紀(jì)60年代，對星際化學(xué)感興趣的天文學(xué)家開始提出這樣的想法，即星際塵埃顆粒可以作為“星際實(shí)驗(yàn)室”，這將促進(jìn)更復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。這種顆粒，無論是碳基還是硅酸鹽，通常形成于冷星的外層或超新星爆炸后。在一團(tuán)氣體和塵埃中，不同種類的分子會粘附在(冷的)顆粒上，分子會聚集，最終會發(fā)生有趣的化學(xué)反應(yīng)。

具體地說，塵埃顆粒積累一層冰(主要是水冰，但也有其他一些分子，如一氧化碳)需要大約10萬年的時(shí)間，然后，這個(gè)冰層將成為一個(gè)小型的宇宙化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。對這個(gè)話題感興趣的天文學(xué)家很快意識到，他們需要實(shí)驗(yàn)來解釋對星際氣體云的觀測。需要在地球?qū)嶒?yàn)室里研究被冰覆蓋的塵埃顆粒及其與分子的相互作用。為此，將使用真空室，模擬空間的空曠，以及適當(dāng)?shù)臏囟?。由于?dāng)時(shí)的假設(shè)是計(jì)算冰面上的化學(xué)物質(zhì)。

人造塵埃顆粒

因此使用冰層進(jìn)行此類實(shí)驗(yàn)成為一種常見的做法，適用于普通表面，如溴化鉀(KBr)水晶板或金屬表面。但新研究結(jié)果顯示，這充其量只能是情況的一部分。行星形成和尋找生命起源是馬克斯·普朗克天文學(xué)研究所(MPIA)的關(guān)鍵研究目標(biāo)，而冰塵顆粒對這兩個(gè)目標(biāo)都起著重要作用。這就是為什么自2003年以來，MPIA一直在耶拿弗里德里希·席勒大學(xué)固體物理研究所設(shè)立實(shí)驗(yàn)室天體物理和星團(tuán)物理小組。

該小組的部分設(shè)備是激光，可以用來制造人造宇宙塵埃顆粒。為此，激光對準(zhǔn)石墨樣品，侵蝕(燒蝕)表面的微小顆粒，直徑僅為納米(1納米等于十億分之一米)。研究這種人造塵埃顆粒，誘導(dǎo)它們表面形成不同種類的冰時(shí)，開始對厚厚冰面上的化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)圖片產(chǎn)生懷疑。在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生的塵埃顆粒盡可能接近現(xiàn)實(shí)深空條件，而不是像洋蔥一樣完全被幾層固體冰(水冰或一氧化碳冰)完全覆蓋的顆粒，而是延伸、許多卷須狀的形狀-由灰塵和冰組成的蓬松網(wǎng)絡(luò)。

有了這種形狀，總表面積比簡單形狀的要大得多(幾百倍)，這對于計(jì)算分子云中檢測到的水量將如何覆蓋一些顆粒來說是一個(gè)顛覆性的游戲規(guī)則：從表面積較小的顆粒，因此完全被可用水覆蓋，研究得到了一個(gè)更延伸的表面，在一些地方會有更厚的層，而在其他地方只有一層冰晶，僅僅因?yàn)闆]有足夠的水，用幾層冰覆蓋所有巨大延伸的表面積。這種結(jié)構(gòu)對冰塵顆粒作為微型宇宙實(shí)驗(yàn)室的作用有著深遠(yuǎn)影響。

塵埃顆粒的重要作用

化學(xué)反應(yīng)取決于粘在表面的分子，以及這些分子如何四處移動(消散)、如何與其他分子相遇、反應(yīng)、被粘住或再次松開。在新的、蓬松的、塵土飛揚(yáng)的宇宙實(shí)驗(yàn)室里，這些環(huán)境條件完全不同。現(xiàn)在研人員知道了塵埃顆粒的重要性，一個(gè)新的參與者進(jìn)入了天體化學(xué)的游戲。知道新的參與者在那里給了我們更好的機(jī)會來理解基本化學(xué)反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)可能會在以后的階段導(dǎo)致宇宙中生命的出現(xiàn)。此外，如果顆粒不隱藏在厚厚的冰層下，但可以與附著在表面的分子相互作用。

這條可以起到催化劑的作用，僅僅通過它們的存在就可以改變化學(xué)反應(yīng)速度。突然之間，某些形成有機(jī)分子的反應(yīng)，如甲醛或某些氨化合物，應(yīng)該會變得更加普遍。兩者都是生命前分子的重要前身，因此，焦點(diǎn)的改變將直接影響我們對地球生命化學(xué)史的解釋。這些都是探索復(fù)雜分子在太空中形成令人興奮的新方向。為了跟進(jìn)研究，MPIA剛剛開設(shè)了新的”生命起源“實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室是為這一新型研究量身定做。

博科園｜研究/來自：馬克斯·普朗克學(xué)會

研究發(fā)表期刊《物理評論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.221103

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