作者：Matt Williams
翻譯：張宇辰
校對(duì)：王婧彧 王茸 張硯斌 楊伯順
審閱：牧夫校對(duì)組
美編：徐⑨坤
后臺(tái)：庫(kù)特莉亞芙卡 李子琦 徐⑨坤 胡永葳
科學(xué)界普遍認(rèn)為，除了地球之外，火星是尋找外星生命證據(jù)的最佳地點(diǎn)。然而火星也絕不是唯一的可能。除了許多的系外行星被指定為“潛在的宜居行星”，在我們的太陽(yáng)系中,還有許多其他的候選星球。其中包括許多冰凍衛(wèi)星,它們被認(rèn)為可能存在能孕育生命的內(nèi)部海洋。
這些冰凍星球中就包括土衛(wèi)六（Titan，又稱為泰坦），土星最大的衛(wèi)星，它的大氣層和地面之間發(fā)生著各種有機(jī)化學(xué)反應(yīng)。一段時(shí)間以來(lái),科學(xué)家們一直懷疑，對(duì)土衛(wèi)六大氣層的研究,可能會(huì)為地球生命進(jìn)化的早期階段提供重要線索。多虧了科技巨頭IBM領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)新研究，一組研究人員成功地在實(shí)驗(yàn)室里重現(xiàn)了土衛(wèi)六上的大氣環(huán)境。
這張概念圖描繪了一片位于土星衛(wèi)星泰坦北極的湖泊，展示了凸起的邊緣和壁壘狀的特征，就像美國(guó)宇航局的卡西尼號(hào)宇宙飛船在土衛(wèi)六溫尼伯湖周圍所看到的那樣。
Credit：NASA/JPL-Caltech
今天我們對(duì)土衛(wèi)六的了解，很大程度上要?dú)w功于卡西尼號(hào)(Cassini)宇宙飛船?？ㄎ髂崽?hào)于2004至2017年環(huán)繞土星飛行，最后潛入土星大氣層完成了任務(wù)。在此期間，卡西尼號(hào)對(duì)土衛(wèi)六的大氣層進(jìn)行了多次直接測(cè)量，揭示了一個(gè)與地球驚人相似的環(huán)境。基本上，土衛(wèi)六是太陽(yáng)系中除地球外唯一的一個(gè)擁有高密度氮大氣層和發(fā)生有機(jī)過(guò)程的星體。
特別有趣的是，科學(xué)家們相信，大約28億年前，地球的大氣層可能與此類似。這與中太古代相吻合，在這個(gè)時(shí)期，能光合作用的藍(lán)藻細(xì)菌創(chuàng)造了第一個(gè)珊瑚礁系統(tǒng)，并緩慢地將地球大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣(最終導(dǎo)致了目前的氮和氧平衡)。
雖然土衛(wèi)六的表面被認(rèn)為蘊(yùn)藏著一些線索，可以幫助我們更好地理解生命是如何在太陽(yáng)系中出現(xiàn)的，但如何清楚地觀察它的表面一直是個(gè)問(wèn)題。其原因與土衛(wèi)六的大氣層有關(guān)，大氣層中彌漫著一層濃密的光化學(xué)霧霾，使光線散射。正如Leo Gross和Nathalie Carrasco(該研究的共同作者)最近在IBM Research Blog的一篇文章中所解釋的那樣:
“土衛(wèi)六的霧霾由納米顆粒組成，這些納米顆粒由各種各樣大型復(fù)雜的有機(jī)分子組成，其中包含碳、氫和氮。當(dāng)（紫外線和宇宙）輻射擊中像土衛(wèi)六這樣的大氣中甲烷、氮?dú)夂推渌麣怏w的混合物時(shí)，這些分子會(huì)發(fā)生一連串的化學(xué)反應(yīng)。
這個(gè)名為PAMPRE的實(shí)驗(yàn)?zāi)M了土衛(wèi)六的大氣層。
Credit：Nathalie Carrasco
因此，對(duì)于土衛(wèi)六大氣層中化學(xué)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力，科學(xué)家們?nèi)杂泻芏嗖涣私獾牡胤?，其中包括?gòu)成這層薄霧霾的大分子的確切化學(xué)結(jié)構(gòu)。幾十年來(lái)，天體化學(xué)家們一直在實(shí)驗(yàn)室里用類似的有機(jī)分子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這些有機(jī)分子被稱為“tholins”，這個(gè)詞來(lái)源于希臘單詞“泥濘”或“模糊的”。
Tholins是在太陽(yáng)紫外線或宇宙射線照射下形成的各種有機(jī)含碳化合物。這些分子在太陽(yáng)系外很常見(jiàn)，通常存在于冰體中，這些冰體的表層含有暴露在輻射中的甲烷冰。我們可以根據(jù)其淡紅色的表面或黃褐色的污點(diǎn)發(fā)現(xiàn)它。
為了進(jìn)行研究，Schulz和Maillard領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室環(huán)境中觀察了不同形成階段的tholins。正如Gross和Carrasco所解釋的:
“我們向一個(gè)不銹鋼容器中注入甲烷和氮的混合物，然后通過(guò)放電觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)，從而模擬土衛(wèi)六的大氣層中的情況。然后，我們?cè)谔K黎世的實(shí)驗(yàn)室分析了100多個(gè)組成泰坦tholins的分子，用我們自制的低溫原子力顯微鏡，獲得了其中大約12個(gè)分子的原子分辨率圖像?！?/p>
NASA的卡西尼號(hào)宇宙飛船向土衛(wèi)六的夜半球望去，看到陽(yáng)光通過(guò)其大氣層的外圍散射，形成了一個(gè)彩色光環(huán)。
Credit：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute
通過(guò)分解不同大小的分子，研究小組得以窺見(jiàn)這些霧氣分子形成的不同階段以及它們的化學(xué)組成。實(shí)質(zhì)上，他們觀察到了土衛(wèi)六大氣層中的一個(gè)關(guān)鍵成分，正是因?yàn)樗男纬珊头e累，造成了土衛(wèi)六著名的朦朧效應(yīng)。NASA戈達(dá)德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)研究員Conor a . Nixon說(shuō):
“這篇論文顯示了在使用原子級(jí)顯微鏡來(lái)研究復(fù)雜、多環(huán)有機(jī)分子結(jié)構(gòu)方面的突破性新工作。利用質(zhì)譜等技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)室生成的化合物進(jìn)行典型分析，可以揭示各種元素的相對(duì)比例，但不能揭示化學(xué)鍵和結(jié)構(gòu)。”
“這是我們第一次看到合成化合物的分子結(jié)構(gòu)，它們與那些被認(rèn)為導(dǎo)致土衛(wèi)六大氣層橙色霧氣的分子結(jié)構(gòu)相似?，F(xiàn)在這項(xiàng)應(yīng)用提供了一個(gè)令人興奮的新工具，用于天體生物材料的樣本分析，包括隕石和從行星上返回的樣本?！?/p>
更重要的是，他們的研究結(jié)果也可能揭示了土衛(wèi)六以甲烷為基礎(chǔ)的神秘液體循環(huán)。在地球上，這個(gè)循環(huán)是由水在氣態(tài)(水蒸汽)和液態(tài)(雨水和地表水)之間的轉(zhuǎn)變組成的。而在土衛(wèi)六上，同樣的循環(huán)發(fā)生在甲烷上，甲烷從大氣中的甲烷氣體轉(zhuǎn)變成甲烷雨，形成土衛(wèi)六著名的碳?xì)浠衔锖?/p>
在未來(lái)，一種八翼無(wú)人機(jī)（又名“蜻蜓”）將非常適合在未來(lái)幾十年里探測(cè)土衛(wèi)六。
Credt：APL/Michael Carroll
在這種情況下，研究小組的結(jié)果可能揭示化學(xué)霧氣在土衛(wèi)六的甲烷循環(huán)中扮演的角色，包括這些納米顆粒是否可以漂浮在其甲烷湖上。此外，這些發(fā)現(xiàn)可以揭示數(shù)十億年前，類似的大氣溶膠是否曾經(jīng)幫助地球上出現(xiàn)了生命。
Gross和Carrasco描述說(shuō):“我們現(xiàn)在拍攝的分子結(jié)構(gòu)，已知是很好的紫外線吸收劑。這也就意味著，霧霾可能起到了屏障作用，保護(hù)早期地球表面DNA分子免受破壞性輻射的破壞?！?/p>
如果這個(gè)理論是正確的，研究小組的發(fā)現(xiàn)將不僅有助于科學(xué)家了解地球上出現(xiàn)生命的條件，他們還可能指出土衛(wèi)六上可能存在生命。這顆衛(wèi)星的神秘性質(zhì)是科學(xué)家們?cè)?0世紀(jì)80年代初首次意識(shí)到的，當(dāng)時(shí)旅行者1號(hào)和2號(hào)太空探測(cè)器都飛越了土星系統(tǒng)。
到二十世紀(jì)30年代，NASA計(jì)劃向土衛(wèi)六發(fā)射一架名為“蜻蜓”(Dragonfly)的機(jī)器人旋翼飛機(jī)，以探索土衛(wèi)六的表面和大氣層，并尋找可能的生命跡象。與往常一樣，在此期間進(jìn)行的理論工作和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，將使科學(xué)家們縮小關(guān)注的焦點(diǎn)，增加探測(cè)器(一旦到達(dá))找到它所尋找的目標(biāo)的幾率。
原文鏈接：
https://www./150181/titans-atmosphere-recreated-in-an-earth-laboratory/
『天文時(shí)刻』 牧夫出品
微信公眾號(hào)：astronomycn
他們有的, 我也有!
