新线索将揭开泰坦大气烟雾般的神秘面纱？

土星最大的卫星土卫六，在我们太阳系所有卫星中是独一无二的，因为它稠密且富含氮的大气中也含有碳氢化合物和其他化合物，而这种丰富的化学混合物形成背后的故事一直是一些科学争论的源头。现在由能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)化学科学部科学家参与的一项研究合作集中在一种低温化学机制上，这种机制可能推动了多环分子的形成，而多环分子是目前在月球褐橙色烟雾层中发现更复杂化学物质的前体。这项研究由夏威夷大学的拉尔夫·凯泽(Ralf Kaiser)共同领导，其研究发表在2018年10月8日的《自然天文学》(Nature Astronomy)上。该研究与科学理论相悖，该理论认为，高温反应机制需要产生卫星任务在泰坦大气中观测到的化学组成。

博科园-科学科普：研究小组还包括伯克利实验室、夏威夷大学马诺亚分校、俄罗斯萨马拉大学和佛罗里达国际大学的其他研究人员。研究小组在伯克利实验室的高级光源(ALS)上进行了真空紫外光实验，并结合计算机模拟和建模工作，演示了有助于泰坦现代大气化学的化学反应。伯克利实验室化学科学部的科学家、ALS研究项目的联合负责人穆萨希德艾哈迈德(Musahid Ahmed)说：这提供了人们从未想到过的低温反应途径证据，这也导致了泰坦化学中一个缺失的环节。土卫六可能会为包括地球在内的其他卫星和行星上复杂化学物质的发展提供线索。

土卫六是土星最大的卫星(图中是土星的中段)，在这张自然色的图片中可以看到土卫六大气中的薄雾。一项新的研究，涉及到伯克利实验室先进光源的实验，提供了新的线索，关于化学步骤可能产生这种烟雾。图片：NASA Jet Propulsion Laboratory, Space Science Institute, Caltech

人们用泰坦来思考‘生命起源前’的地球，那时氮在早期的地球大气中更为普遍。苯是一种简单的碳氢化合物，具有六碳单环的分子结构，在泰坦上已经被发现，它被认为是更大的碳氢化合物分子的基石，这些分子具有两环和三环的结构，进而形成了其他碳氢化合物和气溶胶颗粒，构成了泰坦的大气。这些多环烃分子被称为多环芳烃(PAHs)。在最新的研究中，研究人员将两种短寿命的两环多环芳烃——萘基自由基(C10H7)和乙烯基乙炔(C4H4)——混合在ALS上，并在此过程中产生了三环多环芳烃。这两种用来驱动反应的化学物质都是根据已知泰坦大气的化学组成推断出存在于泰坦上。

ALS实验将反应的最终产物从一个小反应室喷射出来。研究人员使用一种被称为反射电子飞行时间质谱仪的探测器来测量两种气体反应产生分子碎片的质量，这些测量结果提供了三环多环芳烃(菲和蒽)化学成分的详细资料。虽然ALS实验使用化学反应器来模拟化学反应，并使用真空紫外光来检测反应产物，但支持计算和模拟表明，ALS实验中形成的化学物质不需要高温。多环芳烃和ALS研究所研究的化学物质一样，它们的特性使得它们在深空中特别难以识别。事实上在星际介质的气相中没有一个单独的多环芳烃被探测到，星际介质是填满恒星间空间的物质。研究表明多环芳烃的传播范围比预期的要广，因为它们不需要碳恒星周围的高温。

科学家们在结合两种气体时探索了化学作用:一种是由二环分子结构环烷基组成(左上)，另一种是由碳氢化合物乙烯乙炔组成(左下)。白色的球体代表氢原子，黑色的球体代表碳原子。在这些三维分子图像的背后是土星的卫星泰坦，由美国宇航局的卡西尼号飞船拍摄。图片：Wikimedia Commons, NASA Jet Propulsion Laboratory, Caltech, Space Science Institute, John Hopkins University Applied Physics Laboratory, University of Arizona

所探索这种机制被预测是多功能的，并有望导致更复杂的多环芳烃的形成。由于多环芳烃是前体分子，形成所谓的“分子工厂”的更复杂的有机分子，包括生命前体——可能我们知道开放理论和新模型的含碳材料在外层空间和丰富大气层太阳系行星及其卫星的发展和产生。罗里达国际大学(Florida International University)的化学教授、该研究的共同负责人亚历山大m梅贝尔(Alexander M. Mebel)进行了计算，结果显示这些反应物可以在非常低的温度下自然地结合在一起，形成新的化合物。计算揭示了反应机制，证明了不需要任何能量来驱动环烷和乙烯乙炔的反应。

这张图表显示了在涉及萘基和乙烯基乙炔气体的化学反应过程中的势能面计算，这些气体的结合能产生许多化合物，包括三环分子结构。图片： Long Zhao, Ralf I. Kaiser, et al., Nature Astronomy, DOI: 10.1038/s41550-018-0585-y

所以即使在泰坦上的低温和低压大气条件下，反应也应该是有效的。这项研究的关键是对混合气体的反应堆电池进行详细建模。对反应堆内部能量建模和气体流动动力学的模拟有助于监测反应堆内部的反应进程，并允许研究人员将理论结果与实验观察结果紧密结合。这项建模工作是由萨马拉大学的研究小组领导，帮助预测反应中产生的化学物质，这些化学物质是基于初始气体和加热室的温度和压力，在加热室中气体被混合并与真空紫外束撞击。通过与实验的比较，这个模型的验证也有助于预测反应在不同条件下会如何进行——从泰坦的大气到地球上的燃烧火焰。继续研究的一个目标是，揭示即使在极端环境中，具有与DNA和RNA相似结构的含碳化合物是如何形成的细节。

博科园-科学科普｜研究/来自：劳伦斯伯克利国家实验室

参考期刊文献 :《Nature Astronomy》

DOI: 10.1038/s41550-018-0585-y

博科园-传递宇宙科学之美