尋找外星分子

馬頭星雲中隱藏著一些奇怪的東西。這個星雲因其酷似駿馬輪廓而得名，是距地球 1,500 光年的塵埃和氣體巨雲，新恆星在其中不斷誕生。它是最容易辨認的天體之一，科學家們對其進行了深入研究。但在 2011 年，毫米波射電天文學研究所 (IRAM) 和其他機構的天文學家再次對其進行了探測。他們使用 IRAM 在西班牙內華達山脈的 30 米望遠鏡，對馬頭星雲馬鬃的兩個部分進行了無線電光觀測。他們對拍攝更多馬頭星雲的照片不感興趣；相反，他們追求的是光譜——將光分解成其組成波長的讀數，從而揭示星雲的化學成分。資料顯示在螢幕上，看起來像心電監護儀上的脈衝；每個擺動都表明星雲中的某個分子發射了特定波長的光。

宇宙中的每個分子都會根據其內部質子、中子和電子的排列方式產生自己特有的擺動。馬頭星雲資料中的大多數擺動很容易歸因於常見的化學物質，如一氧化碳、甲醛和中性碳。但馬頭星雲中的一個位置也有幾條小的、未識別的譜線，它們在頻率上彼此等距。這些譜線代表著一個謎——一種科學界完全未知的分子。

在看到資料後，巴黎天文臺的伊夫琳·魯埃夫和團隊中的其他化學家立即開始假設什麼樣的分子可能會產生這種訊號。他們得出結論，未知的物質必定是線性分子——一種原子排列成直鏈的化合物。只有某種型別的線性分子才會產生化學家們看到的光譜模式。在研究了可能的分子列表後，他們發現了 C₃H⁺，即丙炔基亞基。這種分子離子以前從未被見過。事實上，根本沒有證據表明它存在。如果它能形成，它將非常不穩定。在地球上，它幾乎會立即與其他物質發生反應，轉化為更穩定的物質。但在太空，壓力很低，分子很少遇到其他物質結合，C₃H⁺ 可能能夠存活下來。

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魯埃夫和她的同事研究了馬頭星雲是否包含形成該分子的正確成分和條件。2012 年，他們在《天文學與天體物理學》雜誌上發表了一篇論文，得出結論，他們看到的擺動很可能屬於 C₃H⁺。“我自己也相對有信心，”魯埃夫說。“但說服所有人我們做出了正確的鑑定，大約花了二到三年時間。”

起初，一些懷疑論者對這一說法提出質疑——如果 C₃H⁺ 以前從未被見過，他們怎麼能確定這就是它呢？2014 年，德國科隆大學的研究人員成功地在實驗室中短暫地製造出了 C₃H⁺，這成為了關鍵證據。這一壯舉不僅證明了該分子可能存在，還使科學家能夠測量它在激發時產生的光譜——正是馬頭星雲中出現的光譜。“能夠找到我們以前沒有真正考慮過的新分子，真是令人欣慰，”魯埃夫說。“當您能夠透過一系列邏輯來識別它時，就像當偵探一樣。”

一種外星分子被確認，還有更多更多。馬頭星雲並非異常現象。幾乎在天文學家觀察到的宇宙中的任何地方——如果他們足夠仔細地觀察——他們都會看到未識別的譜線。我們人類熟悉的化合物，即造成地球上材料巨大多樣性的物質，只是自然界創造的物質的一小部分。最後，經過數十年的理論模型和計算機模擬技術開發工作，以及重現新分子的實驗室實驗，天體化學家正在為許多未識別的譜線命名。

空曠的太空

早在 20 世紀 60 年代，大多數科學家都懷疑星際空間中是否可能存在分子——那裡的輻射被認為過於強烈，以至於除了原子和一些基本的自由基之外，任何物質都無法生存。1968 年，加州大學伯克利分校的物理學家查爾斯·湯斯決定無論如何都要在太空中尋找分子。“我感覺伯克利的大多數天文學家都認為我的想法有點瘋狂，”湯斯（2015 年去世的諾貝爾獎獲得者）在 2006 年為太平洋天文學會撰寫的報告中回憶道。但湯斯勇往直前，為加利福尼亞州哈特克里克射電天文臺的 6 米天線建造了一個新的放大器，該放大器揭示了人馬座 B2 雲中氨的存在。“多麼容易，多麼令人興奮！”他寫道。“新聞媒體和科學家都開始對我們議論紛紛。”

自那時以來，天文學家已經在太空中發現了 200 多種分子。其中許多與地面上看到的物質截然不同。“我們通常根據地球上的條件進行化學研究，”佐治亞南方大學的天體化學家瑞安·福滕貝里說。“當我們擺脫這種模式時，可以創造的化學物質是無限的。如果您能夢想出一個分子，無論多麼奇異，在漫長的歲月和浩瀚的宇宙中，它都有有限的可能性在某個地方存在。”

太空確實是外星環境。溫度可能比地球上高得多（例如在恆星的大氣層中），也可能低得多（在相對空曠的星際空間中）。同樣，壓力（極高或極低）也遠非地球上的壓力。因此，分子可以在太空中形成，而這些分子永遠不會在我們的星球上出現——然後它們可以留下來，即使它們具有高度反應活性。“在星際空間中，一個分子可能需要經過很多年才能撞到另一個分子，”美國宇航局艾姆斯研究中心的物理學家蒂莫西·李說。“它可能位於一個沒有輻射的區域，因此即使它不是那麼穩定，也可以存在很長時間。”

一旦被識別出來，這些太空分子就可以教會我們很多東西。如果科學家能夠在實驗室中製造出它們並學會利用它們的特性，其中一些分子可能會被證明是有益的。其他分子可能有助於解釋地球上生命的有機化合物的起源。所有這些分子都有望擴充套件宇宙化學的可能界限。

改變遊戲規則的望遠鏡

在過去的十年中，隨著能夠觀測到微弱譜線的強大新望遠鏡上線，對外星分子的搜尋加速了。“現在是天體化學的鼎盛時期，”埃默裡大學天體化學小組負責人蘇珊娜·維迪庫斯·韋弗說。她說，即使在 2015 年，可用的資料也比她完成博士學位時十年前的資料有了巨大的改進。美國宇航局安裝在波音 747SP 側面的高空平流層紅外天文臺 (SOFIA) 於 2010 年開始在紅外線和微波光下進行觀測，歐洲航天局的赫歇爾空間天文臺於 2009 年發射進入軌道，目標也是相同的波長。

然而，真正的遊戲規則改變者是多國阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波陣列 (ALMA)，這是一個由 66 個射電天線組成的星座，於 2013 年啟用。ALMA 位於海拔約 5,200 米的查赫南託高原上，這是一片火星般的紅色廣闊區域，位於世界上最乾燥的智利阿塔卡瑪沙漠中，ALMA 的匹配天線齊心協力地旋轉，觀測者從宇宙物體中收集光線。極其黑暗和晴朗的天空幾乎沒有模糊影像的水汽，這使得望遠鏡在從紅外線到無線電波長的範圍內具有前所未有的靈敏度和精度。ALMA 為其影像的每個畫素建立視覺圖片和光譜，在它觀測的每個視野中產生數萬條譜線。“這既令人驚歎又令人難以承受，”維迪庫斯·韋弗說。“這些資料集非常大，以至於他們通常不得不將它們郵寄給科學家，使用快閃記憶體驅動器，因為他們無法下載它們。”大量的資料為天體化學家提供了豐富的新的譜線資源。但就像犯罪現場的未識別指紋一樣，除非科學家能夠確定是哪些分子創造了這些譜線，否則這些譜線對他們來說毫無用處。

尋找聯絡

為了將分子與這些譜線匹配起來，科學家可以從幾個方向入手。就像 C₃H⁺ 的情況一樣，天體化學家可能會從光譜中尋找線索，猜測譜線背後可能是什麼分子。一種稱為 從頭算 量子化學（從頭算 在拉丁語中是“從頭開始”的意思）的技術使科學家能夠從純粹的量子力學——描述亞原子粒子行為的理論——出發，根據原子中質子、中子和電子的運動來計算分子的性質。在超級計算機上，科學家可以重複執行分子的模擬，每次都稍微調整其結構及其粒子的排列，並觀察結果以找到化合物的最佳幾何結構。“藉助量子化學，我們不受我們能合成的東西的限制，”福滕貝里說。“我們受到分子大小的限制。我們需要大量的計算能力來進行計算。”

研究人員還可以透過在實驗室中製造新分子並直接測量其光譜特徵來尋找新分子的確鑿證據。一種常見的技術是從一個氣體室開始，並向其中通入電流。電流中的電子可能會與氣體分子碰撞並破壞其化學鍵，從而產生新的物質。研究人員將氣體保持在非常低的壓力下，以便任何產生的化學物質都有機會在撞到另一個分子併發生反應之前停留片刻。然後，科學家將向腔室照射各種波長的光，以測量腔室內部物質的光譜。“您可以達到在實驗室中產生與太空中發生的分子相同的分子的程度，但您不一定知道該分子是什麼，”哈佛-史密森天體物理學中心的物理學家邁克爾·麥卡錫說。“因此，您必須嘗試從不同樣品的各種實驗室實驗的組合中推斷出元素組成。”

2006 年，麥卡錫和他的同事製造了帶負電荷的分子 C₆H⁻ 並測量了其光譜。不久之後，他們在距地球約 430 光年的星際金牛座分子云中發現了相同的光譜特徵。之前在太空中尋找負分子的努力都一無所獲，因此許多科學家懷疑它們是否大量存在。“這引導我們進行了一系列發現，我們能夠在實驗室中檢測到相關的分子，然後在太空中檢測到，”麥卡錫說。他的團隊和其他人現在已經在十幾個宇宙源中發現了 C₆H⁻。

在 20 世紀 80 年代，試圖製造新化學物質的科學家制造出了氬鎓 (³⁶ArH⁺) 分子，這是一種通常在地球上找不到的奇怪化合物，它將氫與通常呈惰性的氣體氬結合在一起。2013 年，天文學家在太空中發現了氬鎓，首先是在蟹狀星雲中，後來透過 ALMA 觀測在一個遙遠的星系中也發現了它。基於稀有氣體的化合物僅在非常特定的情況下形成；科學家認為，在太空中，高能帶電粒子，稱為宇宙射線，撞擊氬並擊落電子，使其能夠與氫結合。因此，如果科學家在太空的某個區域看到氬鎓，他們可以推測該區域充滿了宇宙射線。“這是這些情況的非常具體的指標，而這些情況在太空中實際上非常重要，”科隆大學的霍爾格·穆勒說，他是 ALMA 發現背後的團隊負責人。

分子的新世界

潛伏在恆星和星雲中的許多分子都極其陌生。問及如果您能將它們握在手中，它們會是什麼樣子或感覺，這是毫無意義的，因為您永遠無法握住它們——它們會立即發生反應。如果您確實設法與它們接觸，它們幾乎肯定會被證明是有毒和致癌的。然而，奇怪的是，科學家們對某些外星分子聞起來的味道有一個大致的想法：迄今為止檢測到的許多分子都屬於一類稱為芳香族化合物的化合物，它們源自苯 (C₆H₆)，最初因其強烈的氣味而得名。

一些新化合物揭示了令人驚訝的原子結構，並在原子之間以不可預見的方式共享電荷。有時，它們會挑戰當前分子鍵合理論。最近的一個例子是分子 SiCSi，它於 2015 年在垂死恆星中被發現，它由兩個矽原子和一個碳原子組成，它們以一種意想不到的方式結合在一起。由此產生的分子有點鬆散，產生的光譜與簡單的理論模型預測的不同。

太空分子可能有助於回答宇宙最基本的問題之一：生命是如何開始的？科學家們不知道氨基酸（生命的基石）是首先在地球上還是在太空中產生的（然後透過彗星和隕石被輸送到我們的星球）。“最大的問題是，它們是否在分子云中形成，當恆星形成時，”維迪庫斯·韋弗問道，“或者它們是在您擁有行星或其他一些岩石塊，化學反應可以在其表面發生後才形成的？”答案將決定氨基酸是否可能在宇宙中大量存在，並且可以用來在無數系外行星上播撒生命的種子，或者引發我們生命的化學反應是否僅限於我們自己的行星搖籃。天體化學家已經發現了太空中氨基酸的跡象，以及可能產生氨基酸的分子序列。

最後，如果某些稀有物質能夠以足夠的量製造出來並保持在受控條件下，它們可能會被證明是有用的。“天體化學的最大希望是我們可以找到具有全新特性的分子，並將這些特性應用於地球上的問題，”福滕貝里說。一個例子是足球形狀的分子“富勒烯”。這些由 60 個碳原子組成的大型聚集體於 1985 年首次在實驗室中出現（併為它們的發現者贏得了諾貝爾獎）。大約十年後，天文學家在星際氣體中看到了光譜特徵，這些特徵看起來與帶正電荷的富勒烯版本一致，並且在 2015 年，當研究人員將這些特徵與在實驗室中類太空條件下製造的富勒烯光譜相匹配時，這種聯絡得到了證實。“這種分子現在遍佈銀河系和整個宇宙，”已故的富勒烯共同發現者、時任佛羅里達州立大學化學教授的哈羅德·克羅託指出。最近，富勒烯被證明不僅是太空中發現的一種怪癖，而且是奈米技術的實用工具，可用於增強材料、改進太陽能電池，甚至用於製藥。

在這一點上，天體化學家仍在測試太空中浩瀚分子海洋中的淺水區。他們已經發現的物質提醒我們，我們自己宇宙的小角落僅僅是那樣——一個微不足道的，而且不一定具有代表性的，對可能事物的樣本。也許我們在地球上熟悉的物質實際上是奇異的物質，而富勒烯、馬頭星雲、C₃H⁺ 和其他仍然未知的物質才是宇宙的普通物質。