NASA科学家在土卫六大气层中发现 “奇怪”的碳基分子

横幅图片:土卫六的这些红外图像代表了关于这颗卫星表面最清晰的全球视野。这些图像是由美国国家航空航天局(NASA)“卡西尼”号(Cassini)所搭载的视觉和红外成像光谱仪(VIMS)采集的13年的数据形成。
来源:NASA/喷气推进实验室-加州理工学院(JPL-Caltech)/南特学(University of Nantes)/亚利桑那大学(University of Arizona)。

NASA的科学家在土卫六泰坦(Titan)的大气层中发现了一种从未在其他星球大气层中发现的分子。事实上,许多化学家几乎没有听说过,也不知道如何拼写这种分子:环丙烯亚基(cyclopropenylidene)或C3H2。科学家们表示,这种简单的碳基分子可能是更复杂化合物的前体,这些化合物可以在土卫六上形成或供养潜在的生命
NASA科学家在土卫六大气层中发现 “奇怪”的碳基分子
2005年1月14日,欧洲航天局(ESA)的惠更斯号(Huygens)探测器在成功降落到土卫六表面时传回了这张图像。该彩色图像经过处理,添加了反射光谱数据,以便更好地显示土卫六表面的实际颜色
来源:NASA/喷气推进实验室(JPL)/ESA/亚利桑那大学

研究人员通过位于智利北部的大型射电望远镜阵,阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA)发现了C3H2。他们在对望远镜收集到的独特的光信号光谱进行筛选时注意到了由碳和构成的C3H2。C3H2分子通过释放或吸收的能量,揭示了土卫六大气的化学成分。

NASA戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)的行星科学家康纳·尼克松(Conor Nixon)表示:“当我意识到自己看到的是环丙烯亚基时,我最先想到的是,‘嗯,这真是太出乎意料了。’”。尼克松团队的研究发现刊载于10月15日发布的《天文学杂志》(Astronomical Journal)月刊上。

尽管科学家们已经在星际空间发现了C3H2,但在大气层中发现它的确有些出乎意料。这是由于环丙烯亚基很容易与其接触到的其他分子反应,形成其他不同的化合物。迄今为止,天文学家仅在飘浮于恒星系统间的气体尘埃中发现了C3H2。换言之,发现C3H2之处都是一些非常寒冷、非常分散,无法促进化学反应发生的区域。

但是像土卫六这样稠密的大气层可以为潜在的化学反应提供有利条件,这是科学家们对这颗卫星感兴趣的一个主要原因,而土卫六也是NASA即将到来的“蜻蜓”(Dragonfly)任务的目的地。尼克松的研究团队之所以能够在土卫六上识别出少量的C3H2,可能是由于他们观测的是土卫六大气层的上层,那里能够与C3H2发生相互作用的其他气体较少。科学家们目前尚不清楚为什么环丙烯亚基会出现在土卫六的大气层中,而不是在其他星球的大气层中。尼克松表示:“土卫六在太阳系中是独一无二的,毫无疑问,它的确是新分子的宝库。”

土卫六是土星目前已知的62颗卫星中最大的一颗,它是一个有趣的星球。从某些方面而言,土卫六是迄今为止发现的与地球最相似的一颗星球。不像太阳系里的其他200多颗卫星,土卫六的大气层密度是地球的4倍,还存在云层、雨、湖泊和河流,甚至还有地下咸水海洋

土卫六的大气主要由氮和少量甲烷组成。当甲烷和氮分子分解,其组成原子释放,形成了一个复杂的有机化学网络,这引起了科学家们的重视。同时,也使这颗卫星被列为NASA关于探索太阳系中过去和现在的生命迹象的重要探索目标。

NASA 喷气推进实验室的高级研究科学家,土卫六专家罗莎莉·洛普斯(Rosaly Lopes)表示:“我们正试图弄清楚土卫六是否适宜居住。因此,我们想知道土卫六大气中有什么化合物到达了地表。然后,这些物质是否能穿过冰层到达地表之下的海洋。因为我们认为海洋拥有适宜生命存在的条件。”

那些可能存在于土卫六表面的分子类型可能与地球上形成生命基石的分子类型相同。科学家们猜测,在38亿至25亿年前,早期地球的空气中充满了甲烷而非氧气。当时的情况可能与土卫六现在的情况相似。

NASA戈达德太空飞行中心的天体生物学家梅丽莎·特雷纳(Melissa Trainer)表示:“我们把土卫六看作是一个真实的实验室,在这里我们可以看到和远古地球在孕育生命时所进行的类似的化学反应。”特雷纳是蜻蜓号任务的副首席研究员,也是蜻蜓号旋翼飞行器上用于分析土卫六表面成分的仪器的负责人。

特雷纳表示:“我们将寻找比C3H2更大的分子。但我们需要知道大气中发生了什么,以便了解导致复杂有机分子形成并掉落到星球表面的化学反应。”

NASA的蜻蜓号任务旨在探索土卫六的化学成分和宜居性。

来源:NASA戈达德太空飞行中心/约翰霍普金斯大学应用物理实验室(Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory

迄今为止,环丙烯亚基是除了苯之外,在土卫六的大气层中发现的唯一一种环状或闭环分子。虽然C3H2目前还未被用于现代生物反应,但像这样的闭环分子非常重要,因为它们构成了DNA碱基和RNA碱基的骨架环。DNA的复杂化学结构承载着生命的遗传密码,而RNA是关乎生命体功能的另一种关键化合物。与尼克松共同发现C3H2的天体生物学家亚历山大·泰伦(Alexander Thelen)表示:“闭环分子的环状特性使构建这些具有重要生物学意义的分子成为可能。”

泰伦和尼克松等科学家正在使用高灵敏度的大型地面望远镜寻找土卫六大气中与生命相关的最简单的碳分子。在此之前,苯(C6H6)被认为是在任何行星大气层中发现的复杂环状烃分子的最小单位。但如今,这个地位似乎已被C3H2所取代。

2016年,尼克松的研究团队利用ALMA大型射电望远镜阵观测土卫六。他们惊奇地发现了一种奇怪的化学指纹,尼克松通过搜索所有已知分子光谱特征的数据库,将其确定为环丙烯亚基。

NASA科学家在土卫六大气层中发现 “奇怪”的碳基分子

迄今为止,环丙烯亚基只在气体云和尘埃分子云中被探测到,比如金牛座的恒星摇篮,位于400光年之外的金牛座分子云(Taurus Molecular Cloud)。最近,NASA戈达德太空飞行中心的科学家康纳·尼克松和其团队在土卫六的大气中发现了这种独特的分子。这是首次在分子云之外的地方探测到环丙烯亚基。环丙烯亚基是除苯之外唯一在土卫六上被探测到的闭环分子。闭环分子很重要,因为它们构成了DNA碱基和RNA碱基的骨架环。DNA的复杂化学结构承载着生命的遗传密码,而RNA是关乎生命体功能的另一种关键化合物。
来源:康纳·尼克松/NASA戈达德太空飞行中心

为了再次确认研究人员的确看到了这种不寻常的化合物,尼克松仔细研究了通过对NASA卡西尼号探测器在2004至2017年间对土卫六进行的127次近距离飞越获得的数据进行分析后发表的研究论文。他想看看卡西尼号上的探测仪器是否能证实他的新研究成果。这台被称为质谱仪(mass spectrometer)的仪器捕捉到土卫六上许多神秘分子的迹象,科学家们仍在试图识别这些分子。事实上,卡西尼号已经发现了环丙烯亚基分子的带电形式,即C3H3+的存在证据。

鉴于这是一个罕见的发现,科学家们正试图对环丙烯亚基进行进一步研究,了解它如何与土卫六大气中的气体相互作用。

JPL的行星科学家迈克尔·马拉斯卡(Michael Malaska)表示:“环丙烯亚基是一种非常奇怪的小分子,它不是你在高中化学甚至本科化学中学到的那样。在地球上,你是不会遇到这种情况的。”马拉斯卡曾在制药行业工作,对土卫六产生兴趣后改行对其进行研究。

不过,马拉斯卡表示,找到像C3H2这样的分子对于了解土卫六的全貌至关重要:“你所发现的每一小块碎片和一小部分都有助于将土卫六上发生的所有事情组合在一起。”

来源:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/nasa-scientists-discover-a-weird-molecule-in-titan-s-atmosphere/

5 4 votes
文章评级
Tags:
0 评论
Inline Feedbacks
View all comments