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在试管中模拟土卫泰坦上的奇特化学世界

科学 太空
wanwan (42055)发表于 2021年08月30日 17时50分 星期一
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土星最大的卫星泰坦的地形地貌对我们而言既熟悉又陌生。与地球一样,泰坦有自己的河流、湖泊、云层与降雨,甚至还有冰山和厚厚的大气层。但泰坦的化学循环主体并不是水,而是液态甲烷。液态甲烷是一种由一个碳原子加四个氢原子组成的有机分子。研究人员认为,这种漩涡状的甲烷混合物加上卫星大气中的氮、地表固态/液态水、火山或流星撞击产生的能量,也许是创造简单生命形式的正确组合。一位研究人员在小小的玻璃试管中重现了泰坦环境,并在相同的温度与压力条件下混合了几种有机化学物质。根据南卫理公会大学化学助理教授兼本次试验的首席研究员 Tomce Runcevski 的说法,甲烷和苯等在地球上呈现液态的有机分子会因泰坦表面的极低温度(最低可达零下178摄氏度)转化为固态冰矿物晶体。

在一系列试验中,Runcevski 取出细小的玻璃管,用泵吸尽其中的空气并加入水冰。之后他又依次向其中添加氮、甲烷、乙烷以及其他化学性质相似的有机化合物。每一次,他都会改变玻璃管内的化学混合物成分并观察结果。接下来,他将压力提升至相当于地球大气压的 1.45 倍,并使用极冷空气包裹玻璃管以降低温度。在大气压力与温度等同于月球的情况下,他发现泰坦上广泛存在的两种对人体有毒的有机分子——乙腈与丙腈——变成了一种单晶形式。在泰坦上,这两种分子由氮和甲烷反应而成,期间再加上来自太阳、土星磁场以及宇宙射线的能量。乙腈与丙腈最初在大气中以气体形式存在,之后凝结为气溶胶并降落至卫星表面,最终变成多种形式的固体矿物质块。

采用泰坦表面的真实条件,这两种化学物质第一次在地球上结合成了晶体形式。另一个重要发现是,这些晶体外表面会带有轻微的电荷或者极性。这种表面电荷会吸引其他分子——例如水,这一点对于形成碳基生命而言至关重要。这项新实验虽然还无法证明泰坦上存在生命,但至少能在原理上做出一些探索,也让 NASA 蜻蜓号飞行器实际登陆这片奇异、寒冷的大地变得更加让人期待。