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星际中复杂有机分子形成机制发现

来源:科技日报2021-07-09 10:19

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  近日,德国马克斯普朗克天文学研究所生命起源实验室负责人何佼博士团队首次发现,星际尘埃表面一氧化碳冰的结晶相变对宇宙中复杂分子的形成具有重要意义。这一发现可能为宇宙中生命起源之谜提供新线索。相关成果发表在《天体物理学杂志快报》上。

  生命起源一直是科学界的重大未解之谜。过去几十年里,天文学家在太空的星际云中发现了众多有机分子,其中的复杂有机分子可能随着陨石、彗星等落到地球上,成为地球生命形成的基础。要解开生命起源这一重大谜题,首先要解释一个关键问题:这些启动地球生命的重要有机分子,是如何在分子云稀薄且低温的环境中形成的?

  恒星之间的分子云密度非常低,即使是最密集的地方,大气密度也仅相当于地球上大气密度的百万亿分之一。在这种条件下,普通的化学反应很难发生。上世纪六十年代,科学家们提出了一个构想:星际尘埃颗粒好像一个“微型宇宙实验室”,复杂化学反应正是在这些“宇宙实验室”里发生的。这种尘埃颗粒基于碳或硅酸盐,直径小于一微米,通常形成于冷恒星的外层或超新星爆炸。在星际分子云中,这些尘埃颗粒会在外层积聚一层冰,而这些冰层就是一个微小的“宇宙化学实验室”。

  这些冰层的厚度通常为几十个单分子层,呈洋葱状结构。“洋葱”的内层主要是水冰,以及少量的二氧化碳、氨等分子。其外层主要是一氧化碳冰,以及甲醇或甲醛等有机物。它还可能含有氢和氧原子,以及其他化学活性特别高、特别可能参与化学反应的被称为“自由基”的化合物,如羟基、甲酰基、甲氧基、羟甲基等。

  此前的实验及理论研究表明,一氧化碳冰层中这些活性物质之间的化学反应形成了许多复杂有机分子。但科学家在解释冰层里的化学反应时,碰到了一个难题:冰层温度极低(约10开尔文,即零下263摄氏度),几乎所有分子、原子和自由基都冻结成冰,嵌在一氧化碳冰中的反应物无法自由移动,也就不能聚集在一起完成化学反应。这就无法解释太空中探测到的复杂有机物是如何形成的,也和以往的冰层里复杂有机物生成相关实验研究结果相矛盾。

  为攻克这一难题,德国马克斯普朗克天文学研究所与美国雪城大学合作,设计了一系列模拟实验,在实验室中模拟致密分子云的超高真空以及极低温条件,在水冰表面覆盖一氧化碳冰层,用以研究一氧化碳冰层的结晶过程。他们发现在大约10开尔文(致密分子云的典型温度)左右时,一氧化碳冰层由非晶态(分子无序排列)变成多晶态(分子形成许多微小的晶体),在这一过程中,嵌在一氧化碳冰层里的其他分子和自由基可以在冰中移动并聚集成团,从而发生化学反应,为更复杂的化学反应铺平了道路。

  何佼博士在接受科技日报记者采访时表示:“根据这一研究,我们推断在恒星形成初期的星云环境下,大部分尘埃表面的一氧化碳都处于多晶态,结晶这一相变过程在宇宙中极为常见;与之同时发生的是各种复杂有机分子的生成。我们可以由此推断,一氧化碳结晶相变对于整个宇宙中复杂有机分子生成,乃至最终生命的出现都具有相当重要的意义。”(记者李山)

[ 责编:赵宇豪 ]
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