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在天體物理學之外,一個相對鮮為人知的事實是,宇宙中第一批恆星以及最早從原始混沌中凝結出來的結構的形成關鍵是化學。
具體而言,關鍵是分子氫或 H2 的形成。 一對原子結合在一起,能夠旋轉和振動。幾年前,我在這篇專欄中寫過一些細節。簡而言之,如果沒有分子氫的形成,宇宙氣體就很難冷卻下來。如果它不能冷卻下來,就不能凝結成恆星,而這些恆星會形成第一批更重的元素,這些元素可以作為後續幾代形成天體更有效的冷卻劑。(有人可能會爭辯說,在分子氫之前形成的氫化氦也是關鍵,但更多的是為了首先促進分子氫的形成)。
與分子氫密切相關的是質子化分子氫“母分子”,H3+。一旦它形成,它就會開啟一個驚人的化學網路,其中包括(在這些元素形成之後)碳、氮和氧。
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我們也早就知道分子在寒冷的星際空間中形成,尤其是在我們星系和其他星系中點綴的大星雲或分子云中。我們還看到,這些分子中的大多數都含有碳。多年來,在解碼化學混合物的細節方面取得了緩慢但穩步的進展,包括最近的工作,暗示了在太空中形成像胞嘧啶和腺嘌呤這樣的生物重要核鹼基的可能性。
然而,在星雲中檢測特定分子非常困難。我們可以從這些雲中測量的光光譜往往很複雜,有點令人困惑。
相對容易的是在我們太陽系的隕石、彗星和小行星中檢測分子。從這些我們知道,不僅在恆星及其行星形成時物質的漩渦中會發生大量的有機化學反應,而且還會隨著時間的推移而被儲存下來,並在整個系統的歷史中傾瀉到行星表面。
最大的問題之一是,這些化學反應是否對在合適的環境中啟動生命有意義。例如,40 億年前在年輕的地球上,當地形成的有機化學物質的流入是否幫助啟動了生命?或者,在更高層次上,早在我們的太陽出現之前,在星際空間中形成的有機分子是否是在建立使我們的太陽系成為一個有生命的太陽系的條件方面的關鍵因素?
事實是我們不知道。即使在太陽形成之前就有多汁的氨基酸漂浮,我們也不清楚這些分子是否完好無損地落在了行星表面,或者沒有它們是否會造成問題。追蹤這些途徑非常困難,而且可以說我們才剛剛開始取得真正的進展。
但也可能我們只是完全看錯了。我們太容易被宇宙中所有漂亮閃閃發光的東西所震撼,也許我們正在錯過一個替代性的資訊豐富的畫面。
想象一下,我們可以剝離所有那些討厭的星系、恆星、黑洞和行星。去除它們分散注意力的結構和非化學性質,只看到構成宇宙的分子。可能會有大片的星系際空間具有非常不同的化學成分,有些則缺乏分子多樣性。會有充滿活力的孵化器:分子形成和化學演化的區域。會有穩定的礦物堡壘。也會有分子經歷驚人複雜化的地方,包括變成微觀機器的形式,這些機器傳播和解析資訊並處理化學能量——我們稱之為生命的現象。
還會有一個時間線,即可觀測宇宙中分子的歷史。它將從分子氫開始,然後最終進入更高的層次,包括水和最簡單的有機物等化合物。但這種歷史存在噪聲和隨機性。化學反應可能會被超新星、千新星、超超新星,甚至熱原恆星所抹去。分子可能會被衝擊波和粒子輻射脈衝分解。在這種噪音中,可能存在著無與倫比的化學富集峰值,這預示著生命系統的興起。
如果我們能夠開發出這個時間線的人口統計資料以及宇宙中分子的空間分佈,我們將有一個強大的新視角來審視我們自己。這將非常困難,而且當然在很大程度上是對天體化學家和天文學家已經在做的事情的重新措辭,但嘗試以一種新的方式將所有這些工作彙總在一起以觀察宇宙將會很有趣。不僅僅將其視為重力和物理的領域,而是一個廣闊而古老的相互聯絡和不相連的化學系統。
