土星最大的衛星土衛六，在我們太陽系所有衛星中是獨一無二的，因為它稠密且富含氮的大氣中也含有碳氫化合物和其他化合物，而這種豐富的化學混合物形成背後的故事一直是一些科學爭論的源頭。現在由能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)化學科學部科學家參與的一項研究合作集中在一種低溫化學機制上，這種機制可能推動了多環分子的形成，而多環分子是目前在月球褐橙色煙霧層中發現更復雜化學物質的前體。
博科園-科學科普：這項研究由夏威夷大學的拉爾夫·凱澤(Ralf Kaiser)共同領導，其研究發表在2018年10月8日的《自然天文學》(Nature Astronomy)上。該研究與科學理論相悖，該理論認為，高溫反應機制需要產生衛星任務在泰坦大氣中觀測到的化學組成。研究小組還包括伯克利實驗室、夏威夷大學馬諾亞分校、俄羅斯薩馬拉大學和佛羅里達國際大學的其他研究人員。
研究小組在伯克利實驗室的高級光源(ALS)上進行了真空紫外光實驗，並結合計算機模擬和建模工作，演示了有助於泰坦現代大氣化學的化學反應。伯克利實驗室化學科學部的科學家、ALS研究項目的聯合負責人穆薩希德艾哈邁德(Musahid Ahmed)說：這提供了人們從未想到過的低溫反應途徑證據，這也導致了泰坦化學中一個缺失的環節。土衛六可能會為包括地球在內的其他衛星和行星上覆雜化學物質的發展提供線索。
土衛六是土星最大的衛星(圖中是土星的中段)，在這張自然色的圖片中可以看到土衛六大氣中的薄霧。一項新的研究，涉及到伯克利實驗室先進光源的實驗，提供了新的線索，關於化學步驟可能產生這種煙霧。圖片：NASA Jet Propulsion Laboratory, Space Science Institute, Caltech
人們用泰坦來思考‘生命起源前’的地球，那時氮在早期的地球大氣中更為普遍。苯是一種簡單的碳氫化合物，具有六碳單環的分子結構，在泰坦上已經被發現，它被認為是更大的碳氫化合物分子的基石，這些分子具有兩環和三環的結構，進而形成了其他碳氫化合物和氣溶膠顆粒，構成了泰坦的大氣。這些多環烴分子被稱為多環芳烴(PAHs)。在最新的研究中，研究人員將兩種短壽命的兩環多環芳烴——萘基自由基(C10H7)和乙烯基乙炔(C4H4)——混合在ALS上，並在此過程中產生了三環多環芳烴。這兩種用來驅動反應的化學物質都是根據已知泰坦大氣的化學組成推斷出存在於泰坦上。
ALS實驗將反應的最終產物從一個小反應室噴射出來。研究人員使用一種被稱為反射電子飛行時間質譜儀的探測器來測量兩種氣體反應產生分子碎片的質量，這些測量結果提供了三環多環芳烴(菲和蒽)化學成分的詳細資料。雖然ALS實驗使用化學反應器來模擬化學反應，並使用真空紫外光來檢測反應產物，但支持計算和模擬表明，ALS實驗中形成的化學物質不需要高溫。多環芳烴和ALS研究所研究的化學物質一樣，它們的特性使得它們在深空中特別難以識別。事實上在星際介質的氣相中沒有一個單獨的多環芳烴被探測到，星際介質是填滿恆星間空間的物質。研究表明多環芳烴的傳播範圍比預期的要廣，因為它們不需要碳恆星周圍的高溫。
科學家們在結合兩種氣體時探索了化學作用:一種是由二環分子結構環烷基組成(左上)，另一種是由碳氫化合物乙烯乙炔組成(左下)。白色的球體代表氫原子，黑色的球體代表碳原子。在這些三維分子圖像的背後是土星的衛星泰坦，由美國宇航局的卡西尼號飛船拍攝。圖片：Wikimedia Commons, NASA Jet Propulsion Laboratory, Caltech, Space Science Institute, John Hopkins University Applied Physics Laboratory, University of Arizona
所探索這種機制被預測是多功能的，並有望導致更復雜的多環芳烴的形成。由於多環芳烴是前體分子，形成所謂的“分子工廠”的更復雜的有機分子，包括生命前體——可能我們知道開放理論和新模型的含碳材料在外層空間和豐富大氣層太陽系行星及其衛星的發展和產生。羅裡達國際大學(Florida International University)的化學教授、該研究的共同負責人亞歷山大m梅貝爾(Alexander M. Mebel)進行了計算，結果顯示這些反應物可以在非常低的溫度下自然地結合在一起，形成新的化合物。計算揭示了反應機制，證明了不需要任何能量來驅動環烷和乙烯乙炔的反應。
這張圖表顯示了在涉及萘基和乙烯基乙炔氣體的化學反應過程中的勢能面計算，這些氣體的結合能產生許多化合物，包括三環分子結構。圖片： 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溫和低壓大氣條件下，反應也應該是有效的。這項研究的關鍵是對混合氣體的反應堆電池進行詳細建模。對反應堆內部能量建模和氣體流動動力學的模擬有助於監測反應堆內部的反應進程，並允許研究人員將理論結果與實驗觀察結果緊密結合。這項建模工作是由薩馬拉大學的研究小組領導，幫助預測反應中產生的化學物質，這些化學物質是基於初始氣體和加熱室的溫度和壓力，在加熱室中氣體被混合並與真空紫外束撞擊。通過與實驗的比較，這個模型的驗證也有助於預測反應在不同條件下會如何進行——從泰坦的大氣到地球上的燃燒火焰。繼續研究的一個目標是，揭示即使在極端環境中，具有與DNA和RNA相似結構的含碳化合物是如何形成的細節。
博科園-科學科普｜研究/來自：勞倫斯伯克利國家實驗室
參考期刊文獻 :《Nature Astronomy》
DOI: 10.1038/s41550-018-0585-y
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