哈勃望远镜探索宇宙30年 (哈勃望远镜揭示宇宙的秘密)

哈勃望远镜再次立功!60个碳原子,宇宙最原始生命,关键一步迈出

操作哈勃太空望远镜的科学家在外太空中发现了一种非常复杂的分子。这种分子以著名的思想家巴克明斯特·富勒的名字命名,我们称之为巴克球。它们分子的结构是由60个碳原子(C60)组成的足球形。尽管此次并不是我们第一次在太空中发现C60分子,但却是第一次发现C60离子(C60+)。巴克球(也叫作巴士富勒烯)是在星际介质(Interstellar Medium,简称ISM,存在于恒星系之间的弥散物质和辐射)中发现的。因为星际介质是形成恒星和行星的基本物质,所以天文学家对它们非常感兴趣。知道星际介质中有哪些成分有助于我们理解恒星、行星以及生命的起源。

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科学家在地球上发现过少量的C60+。他们在岩石和矿物中发现过,也在高温燃烧产生的烟尘中发现过。在星际介质中发现这些离子形态的C60是一件相当不可思议的事,因为星际介质的环境太恶劣了。太空中的C60+是被恒星电离产生的。恒星发出的紫外线从C60上夺走了一个电子,使C60分子带上了正电荷。在太空中发现这些复杂的碳分子(C60)可以帮助我们更加了解星际介质中存在哪些物质。

星际介质的环境过于恶劣和脆弱,大分子结构明显无法大量存在,在发现C60之前,太空中已知的最大分子只有12个原子那么大。此次发现的C60+表明即使是在星系中密度最低、紫外线辐射最强的环境里,天体化学也依旧无比复杂。

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碳是生命形成的基石,它存量丰富,可以形成独特而多样的化合物。在普通的地球温度下,碳可以形成大分子聚合物。聚合物是一类性质广泛的分子,它们在蛋白质和DNA等活体组织中起着关键作用。很难想象生命缺少碳会是什么样子。生命以碳为存在基础。碳是有机化学的关键,因为它可以形成多样独特的化合物家族。碳的所有这些特性都是因为碳原子的外层含有4个电子。

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因为生命是由含碳分子构成的,在太空中发现像C60+这样复杂的碳离子就成了一件很有意思的事。生命在某种程度上可以被认为是复杂化学的终极产物,C60的存在明确地表明太空环境的化学本质是极其复杂的,同时还表明太空中还可能有其他结构复杂的含碳分子存在。星际介质的主要物质是氢和氦。但其中也有一些未知的复杂分子,唯一能发现这些分子的办法就是研究穿过它们的星光。

2010年,NASA斯皮策太空望远镜首次在太空中发现了固体形式的巴基球,但它们没有带电(离子)。星际介质中的不同元素和化合物可以阻挡或吸收特定波长的星光。科学家使用光谱分析法将光分解成不同的波长并对其进行检测,通过这种方法精确地检测出缺失了哪些波长,并据此推断出相应的化学物质。这种方法在星际介质中很难操作,因为光谱法在星际介质中揭示的吸收图案所涵盖的光的范围更广,其中一些与地球上所见的图案完全不同。

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这些图案被称为星际弥散带,1922年美国天文学家玛丽·李·海格首次发现了它们。可问题是,想要在太空中确认星际弥散带,必须得在实验室中看到的一个可以匹配的样本才行。但是有数百万种不同的分子结构和与它们各自匹配的星际弥散带,要将它们全部识别出来可能得花上几辈子的时间。

如今,我们已经知道了400多种星际弥散带(除了少数新近被归为C60+的星际弥散带),但是,目前还没有一个能完全确认配对的,总之,星际弥散带的出现表明太空中存在大量的富碳分子,其中一些可能与生命最终形成的化学过程有关。然而,在剩余的星际弥散带都被匹配之前,这种物质的构成和特性都只能是个谜。几十年来,科学家们一直在实验室中努力地寻找与星际弥散带匹配的物质。进行这项新研究的团队将实验室中C60+的吸收图案与哈勃望远镜在星际介质中观测到的星际弥散带进行了比较。瑞士巴塞尔大学的团队负责观测实验室中的星际弥散带。哈勃望远镜能从轨道上观测到C60+的吸收数据,在轨道上地球大气中的水蒸气便无法阻挡它的视线。即便如此,研究团队还是不得不将太空望远镜的灵敏度调到极限。

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图中的背景是螺旋行星状星云,它是一种由濒死恒星喷出的膨胀的云状物质。艺术家将石墨烯、巴克球和C70的概念图覆盖在螺旋行星状星云的图像上。天文学家认为,这些形式奇特的碳分子在太空中可能存在广泛,但要识别它们却很困难。

C60+的发现激发了研究团队的热情。他们继而提出疑问:如果星际弥散物中存在这些复杂的碳分子,那么还会有其他复杂的碳分子吗?为了找到答案,还需要在实验室中对其他复杂的碳分子进行更多的研究以匹配它们的星际弥散带,这样才能在未来星际介质的观测中将它们匹配成对。目前,该团队希望可以继续在太空中寻找巴克球,看看他们到底有多普遍。科迪纳认为根据他们目前的发现,C60+在银河系中可能分布广泛。这对地球和其他地方生命的出现和演化意味着什么还不得而知,但这是一个有趣的研究方向。