在宇宙中捕捉「不可能存在」的分子

時間:2015-12-29 17:29 來源:環球科學（huanqiukexue.com）

科學家正在搜尋只有在宇宙空間內才能存在的分子。
　　


一種奇特的物質隱藏在遙遠的馬頭星雲中。這個由塵埃和氣體組成的星雲得名於其馬頭形的輪廓。在這團1500光年外的龐大星雲中，新的恆星不斷誕生。作為最易被識別的天體之一，馬頭星雲已經得到了科學界的廣泛研究。但在2011年，毫米波段射電天文學研究所（Institute of Millimeter Radioastronomy ，簡稱IRAM）等機構的天文學家又對其展開了新一輪的探索。藉助位於西班牙內華達山脈的30米口徑射電望遠鏡，他們將目光鎖定在「鬃毛」上的兩處位置。研究的目標不是拍攝更多星雲圖片，而是運用光譜分析，把光分解成不同波長的組成成分，從而揭示星雲的化學組成。光譜數據如心電圖上的尖峰，每一處的凸起都代表著星雲中的分子發出的特定波長的光。

由於分子中質子、中子與電子的排列方式不同，宇宙中每一種分子的光譜圖都擁有獨一無二的形狀。在馬頭星雲的光譜中，絕大多數的尖峰都來自我們熟悉的物質，例如一氧化碳、甲醛和中性碳，但89.957GHz處的一個小凸起是個例外：這個神秘的波長不屬於任何已知的分子。

巴黎天文台的伊芙琳·魯埃夫（Evelyne Roueff）與研究團隊中的其他化學家立即開始研究什麼樣的分子會產生這樣的光譜信號。他們斷定，這種未知的分子必然是一種線性分子，它裡面的原子是排列在一條直線上的。只能特定種類的線性分子能產生這種譜型，在對可能的對象進行排查后，他們最終將目標鎖定在C3H+離子。在此之前，人們從未見過這種離子，甚至無法確定它是否真的存在，因為C3H+離子極不穩定。在地球上，如果有C3H+生成，它會立即與其他分子反應生成更穩定的物質。但在廣闊的太空，情況可能會有所不同。這裡的壓強極低，C3H+離子很難遇見其他可與其反應的分子，因此C3H+可能在太空中存在。

接下來魯埃夫和她的同事需要解決的問題是，產生C3H+離子所需的成分及反應條件是否存在於馬頭星雲中？2012年，研究團隊在《天文學與天體物理學》（Astronomy&Astrophysics）期刊發表文章，他們提出光譜上這個尖峰的製造者很可能就是C3H+。魯埃夫表示，她自己對於這一結論很有信心，但她需要用兩三年的時間使所有人相信他們的結論。

由於此前人們從未見過C3H+，這個結論最初受到了不少質疑，直到一條決定性證據在去年出現—— 德國科隆大學的研究人員在實驗室中製備出C3H+。儘管其存在時間十分短暫，但這足以證實C3H+離子的存在。研究人員還測得C3H+激發態下的光譜，這與之前在馬頭星雲中觀測到的光譜非常相似。「這個之前未曾想過的新型分子的發現意義重大，」魯埃夫說，「我們通過邏輯鏈層層剝繭最終確定了它的存在，這種感覺就像是做偵探。」

一個太空分子的爭論告一段落，而更多種的太空分子依然等待人們去探索。馬頭星雲並不是宇宙中的一個特例，只要觀察足夠細緻，天文學家能夠在宇宙中任何地方發現無法識別的譜線。我們所熟知的化合物構成了地球上種類異常繁多的物質，但這些只是大自然產物的一部分而已。隨著幾十年來理論模型、計算機模擬的進展以及實驗室合成技術的提高，天體化學家們終將為這些未知的譜線貼上標籤。

空寂太空

直到上世紀60年代，多數科學家還懷疑星際空間是否真的有分子存在。那時人們普遍認為，任何比原子和原子團更複雜的物質都難以在充滿輻射的宇宙環境中存在。1968年，加州大學伯克利分校的物理學家查爾斯·湯斯（Charles Townes）決定尋找太空中的分子。這位諾貝爾物理學獎的得主於今年剛剛逝世，他於2006年寫給太平洋天文學會（the Astronomical Society of the Pacific）的報告里回憶到，當時絕大多數同事都認為他的想法有些瘋狂。但湯斯決定繼續推進他的計劃。為此，他為加州哈特克里克射電天文台（Hat Creek Radio Observatory ）6米長的天線安裝了放大器，並通過這台天線發現了人馬座B2星雲中存在氨。湯斯在文中寫到：「如此簡單，如此激動人心！這時新聞媒體和其他科學家開始談論我們了。」

在那之後，天文學家發現了超過200種漂浮在太空中的分子，其中很多與地球上常見的物質有明顯差異。「我們通常基於地球上的條件開展化學研究，」喬治亞南方大學的天體化學家瑞恩·福滕貝里（Ryan Fortenberry）告訴我們，「當我們脫離地球的環境，大自然能夠創造出的化學物質是不受限的。如果你想象出某種分子，無論你的想法有多離奇，在宇宙漫長的時間和廣袤的空間中、它都有一定概率出現過。」

太空環境對我們而言尤為陌生。在太空中，極端的高溫（例如恆星的大氣層）和低溫（例如空曠的星際空間）都可以出現。同樣，太空的壓強也可以遠遠高出或低於地球環境。因此，很多無法在地球上出現的分子都可能在太空中形成，而且可能穩定存在，即使它們反應活性極高。「在星際空間，一個分子可能要花上數年時間才能遇到另一個分子從而發生反應。」美國國家航空航天局埃姆斯研究中心的天體物理學家蒂莫西·李（Timothy Lee）說，「它們可能出現在沒有輻射的區域，這樣即使穩定性很差，它們依舊可以存在很長一段時間。」
我們從這些太空分子的發現中收穫頗多。其中一些可能有利用價值，如果科學家能在實驗室合成它們，併發掘其特性；而另一些分子則幫助我們理解創造地球生命的有機物起源於何方。這些發現拓寬了我們對宇宙中可能出現的化學反應的理解。

劃時代的望遠鏡

在過去十年間，隨著能夠觀測暗弱譜線的天文望遠鏡陸續投入使用，尋找太空分子的步伐不斷加速。「這是宇宙化學的盛世，」 蘇珊娜·韋弗（Susanna Widicus Weaver）說道。韋弗在艾默里大學領導一個天體化學的研究組，她告訴我們，現在能夠獲得的數據相較於十年前她拿到博士學位的時候有巨大飛躍。美國國家航空航天局的高海拔平流層紅外天文台（SOFIA）安裝在波音747SP飛機上，於2010年開始進行紅外線和微波觀測。2009年，歐洲航天局的赫歇爾空間天文台發射升空進入軌道，它的觀測波段與SOFIA相同。

而真正劃時代的則是多國共同參與的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米級波列陣（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，簡稱 ALMA），這個由66個射電天線組成的陣列於2013年投入使用。智利的阿塔卡馬沙漠是世界上最乾旱的地區，在海拔5200米的查南托高原火星般紅色的土地上，ALMA的所有天線整齊劃一地扭轉方向，幫助觀測者仔細收集來自天體的光。這裡夜晚的天空極度黑暗、晴朗，幾乎完全沒有會幹擾圖像質量的水蒸氣，這使得儀器在從紅外到射電的各個波段，都能達到前所未有的靈敏度和精度。ALMA既做成像觀測，也能獲取圖像中每個像素點的光譜，在它觀測的每一個視場中都會產生數萬條譜線。「這令人讚歎，同時也是個巨大的負擔，」韋弗說，「這些數據集過於龐大，沒法通過網路下載，只能存到快閃記憶體盤裡郵寄給科學家們。」ALMA的數據洪流為天體化學家提供了大量可供研究的新譜線。但是，類似於犯罪現場留下的身份不明的指紋，這類譜線對於科學家是沒有用的，除非他們能確定是何種分子產生了這些譜線。

尋找線索

科學家可以通過幾種不同的思路將分子與光譜線匹配。以C3H+為例，天體化學家從理論出發，通過光譜中的線索推測出分子。而一種叫做ab initio （拉丁文「從頭開始」的意思）量子化學的技術允許科學家們從量子力學出發，通過組成該分子的原子中質子、中子和電子的運動推算出分子的性質。在超級計算機上，研究人員對分子進行模擬，他們不斷微調分子的結構從而尋找幾何上最佳的構型。「隨著量子化學的出現，我們的研究不再局限於我們已經合成的物質。」福滕貝里講道，「不過受分子尺寸的限制，我們仍然需要更多的計算資源來幫助我們完成計算。」

另一種為新分子尋求有力證據的方式是在實驗室合成它們，然後直接測量其光譜特徵。一種常用手段是創建一個氣室，當電流通過氣室時，其中的電子就有機會與氣體分子發生碰撞，打破原有的化學鍵形成新的物質。研究人員將氣壓控制在較低的水平，這樣新形成的物質可以在游弋一小段時間之後再遇上其他分子併發生反應，這一小段時間就給了研究者進行光譜分析的機會。他們用各種波長的光照射氣室，從而觀測氣室中分子的光譜。「你可以在實驗室中合成與太空中相同的分子，但你並不一定知道這是什麼分子，」哈佛-史密森尼天體物理中心的物理學家邁克爾·麥卡錫（Michael McCarthy）告訴我們，「所以我們必須結合眾多針對不同樣品的實驗推測分子的元素組成。」

2006年，麥卡錫和他的同事合成了帶負電荷的分子C6H-並測得了它的光譜信息，隨後不久他們在430光年外的金牛座分子云中觀測到同樣的光譜特徵。在此之前，對負電荷分子的搜尋都以失敗而告終，這使得很多科學家懷疑是否有數量顯著的負電荷分子存在。「這一發現為我們開啟了全新的探索方式，我們可以在實驗室中合成新分子然後在太空中尋找它們。」麥卡錫介紹道。現在，麥卡錫的團隊已經在超過12個不同的宇宙來源中發現了C6H-。
上世紀80年代，尋找新化學物質的科學家合成了一種奇特的分子：氫化氬（36ArH+），其不尋常之處在於，氬是惰性氣體，在這裡卻與氫結合形成化合物。2013年，天文學家通過ALMA在蟹狀星雲和一個遙遠的星系中先後觀測到氫化氬。惰性氣體只在極其特殊的情況下才會形成化合物，科學家認為宇宙射線（高能量的帶電粒子）高速撞向氬原子，使氬的電子鬆動，這樣氫就有機會與氬發生化學反應。因此，氫化氬成為了太空中強宇宙射線區域的指示物。研究團隊的領導者，科隆大學的霍爾格·穆勒（Holger Müller）表示，氫化氬指示了太空中非常重要的一種環境。

分子新世界

很多潛伏在恆星與星雲中的分子都是極端條件下的產物，這些分子被握在手中時看起來是什麼樣的，摸上去感受如何？這樣的問題毫無意義，因為你永遠也抓不住它們——它們會瞬間反應變成其他物質。如果你真的有機會接觸到它們，很不幸，人們已經證明這些分子幾乎都有毒性和致癌性。奇特的是，科學家對於其中一些分子的氣味有著初步的看法：目前發現的很多分子被屬於芳香族化合物。這一類物質是苯的衍生物，它們正是因為濃郁的氣味而得名。
一些新型化合物展現出驚人的原子結構，原子間以前所未見的方式共享電荷，這向現今的成鍵理論提出了挑戰。一個案例是SiCSi分子，它於今年在一顆處於生命末期的恆星上被發現。在這種分子中，兩個硅原子與一個碳原子以一種意想不到的方式成鍵。這個分子的結構相對鬆散，其發出的光譜也與理論模型的預測截然不同。

太空分子有機會幫助我們解開一個宇宙基本問題的謎底：生命是如何起源的？科學家們不知道氨基酸這種構成生命的基本物質是先出現在地球，還是首先出現在外太空，而後被彗星和隕石帶到地球上。「關鍵問題是，氨基酸是在恆星形成時的分子云中誕生，還是在行星或其他岩石表面出現？」韋弗發問道。這個問題的答案將決定氨基酸是在宇宙中隨處可見、生命的種子可能在無數行星上播種，還是僅僅在我們的星球上發芽。天體化學家已經在宇宙中找到氨基酸以及可能形成氨基酸的分子序列的蹤跡。

這些罕見分子的另一個意義在於，如果其中一些能夠在可控條件下大量製備並儲存，它們或可為我們所用。「人們對於宇宙化學最大的期望就是找到具有全新特質的分子，並且用它們解決地球上的難題，」福滕貝里憧憬道。一個案例是足球形狀的分子富勒烯，也被稱作「巴基球」，這種由60個碳原子組成的物質最初於1985年在實驗室被合成（順帶一提，其發現者因為這項工作獲得了諾貝爾獎）。近十年後，天文學家在星際氣體中發現了光譜特徵與帶正電荷的富勒烯一致的分子。這一關聯在今年七月得到證實，研究者在實驗室類似太空的環境中創造出富勒烯，光譜分析的結果與之前在宇宙中的發現一致。「現在，這種分子遍布銀河系甚至全宇宙。」富勒烯的共同發現者之一，現任佛羅里達州立大學化學教授的哈羅德·克羅托（Harold Kroto）介紹道。富勒烯不僅是太空中奇特的發現，它在納米科技中是一種實用的工具，能被用來增加材料強度、提升太陽能電池性能，甚至用於製藥領域。

儘管太空分子的研究不斷取得進展，但對太空分子的深奧世界，科學家只接觸到了冰山一角。這些已經浮出水面的發現告訴我們，我們生活的世界只是宇宙中不起眼的一個角落， 也不具備代表性，不能以其為範例判斷何種物質可以存在。或許，我們所熟悉的物質在整個宇宙中是不常見的，而巴基球、C3H+以及更多我們尚未發現的物質卻是宇宙中的主要成分。（撰文：Clara Moskowitz 翻譯：柯石英 校審：張程）