撰文：克拉拉·莫斯科維茨（Clara Moskowitz）

翻譯：柯石英

校審：張程

一種奇特的物質(zhì)隱藏在遙遠的馬頭星云中。這個由塵埃和氣體組成的星云得名于其馬頭形的輪廓。在這團1500光年外的龐大星云中，新的恒星不斷誕生。作為最易被識別的天體之一，馬頭星云已經(jīng)得到了科學界的廣泛研究。但在2011年，毫米波段射電天文學研究所（Institute of Millimeter Radioastronomy ，IRAM）等機構(gòu)的天文學家又對其展開了新一輪的探索。借助位于西班牙內(nèi)華達山脈的30米口徑射電望遠鏡，他們將目光鎖定在“鬃毛”上的兩處位置。研究的目標不是拍攝更多星云圖片，而是運用光譜分析，把光分解成不同波長的組成成分，從而揭示星云的化學組成。光譜數(shù)據(jù)如心電圖上的尖峰，每一處的凸起都代表著星云中的分子發(fā)出的特定波長的光。

由于分子中質(zhì)子、中子與電子的排列方式不同，宇宙中每一種分子的光譜圖都擁有獨一無二的形狀。在馬頭星云的光譜中，絕大多數(shù)的尖峰都來自我們熟悉的物質(zhì)，例如一氧化碳、甲醛和中性碳，但89.957GHz處的一個小凸起是個例外：這個神秘的波長不屬于任何已知的分子。

巴黎天文臺的伊芙琳·魯埃夫（Evelyne Roueff）與研究團隊中的其他化學家立即開始研究什么樣的分子會產(chǎn)生這樣的光譜信號。他們斷定，這種未知的分子必然是一種線性分子，它里面的原子是排列在一條直線上的。只能特定種類的線性分子能產(chǎn)生這種譜型，在對可能的對象進行排查后，他們最終將目標鎖定在C3H+。在此之前，人們從未見過這種離子，甚至無法確定它是否真的存在，因為C3H+極不穩(wěn)定。在地球上，如果有C3H+生成，它會立即與其他分子反應生成更穩(wěn)定的物質(zhì)。但在廣闊的太空，情況可能會有所不同。這里的壓強極低，C3H+很難遇見其他可與其反應的分子，因此C3H+可能在太空中存在。

接下來魯埃夫和她的同事需要解決的問題是，產(chǎn)生C3H+所需的成分及反應條件是否存在于馬頭星云中？2012年，研究團隊在《天文學與天體物理學》（Astronomy&Astrophysics）期刊發(fā)表文章，他們提出光譜上這個尖峰的制造者很可能就是C3H+。魯埃夫表示，她自己對于這一結(jié)論很有信心，但她需要用兩三年的時間使所有人相信他們的結(jié)論。

由于此前人們從未見過C3H+，這個結(jié)論最初受到了不少質(zhì)疑，直到一條決定性證據(jù)在去年出現(xiàn)—— 德國科隆大學的研究人員在實驗室中制備出C3H+。盡管其存在時間十分短暫，但這足以證實C3H+的存在。研究人員還測得C3H+激發(fā)態(tài)下的光譜，這與之前在馬頭星云中觀測到的光譜非常相似?！斑@個之前未曾想過的新型分子的發(fā)現(xiàn)意義重大，”魯埃夫說，“我們通過邏輯鏈層層剝繭最終確定了它的存在，這種感覺就像是做偵探?！?/p>

一個太空分子的爭論告一段落，而更多種的太空分子依然等待人們?nèi)ヌ剿?。馬頭星云并不是宇宙中的一個特例，只要觀察足夠細致，天文學家能夠在宇宙中任何地方發(fā)現(xiàn)無法識別的譜線。我們所熟知的化合物構(gòu)成了地球上種類異常繁多的物質(zhì)，但這些只是大自然產(chǎn)物的一部分而已。隨著幾十年來理論模型、計算機模擬的進展以及實驗室合成技術(shù)的提高，天體化學家們終將為這些未知的譜線貼上標簽。

空寂太空

直到上世紀60年代，多數(shù)科學家還懷疑星際空間是否真的有分子存在。那時人們普遍認為，任何比原子和原子團更復雜的物質(zhì)都難以在充滿輻射的宇宙環(huán)境中存在。1968年，加州大學伯克利分校的物理學家查爾斯·湯斯（Charles Townes）決定尋找太空中的分子。這位諾貝爾物理學獎的得主于今年剛剛逝世，他于2006年寫給太平洋天文學會（the Astronomical Society of the Pacific）的報告里回憶到，當時絕大多數(shù)同事都認為他的想法有些瘋狂。但湯斯決定繼續(xù)推進他的計劃。為此，他為加州哈特克里克射電天文臺（Hat Creek Radio Observatory ）6米長的天線安裝了放大器，并通過這臺天線發(fā)現(xiàn)了人馬座B2星云中存在氨。湯斯在文中寫到：“如此簡單，如此激動人心！這時新聞媒體和其他科學家開始談論我們了。”

在那之后，天文學家發(fā)現(xiàn)了超過200種漂浮在太空中的分子，其中很多與地球上常見的物質(zhì)有明顯差異?！拔覀兺ǔ；诘厍蛏系臈l件開展化學研究，”喬治亞南方大學的天體化學家瑞恩·福滕貝里（Ryan Fortenberry）告訴我們，“當我們脫離地球的環(huán)境，大自然能夠創(chuàng)造出的化學物質(zhì)是不受限的。如果你想象出某種分子，無論你的想法有多離奇，在宇宙漫長的時間和廣袤的空間中、它都有一定概率出現(xiàn)過?！?/p>

太空環(huán)境對我們而言尤為陌生。在太空中，極端的高溫（例如恒星的大氣層）和低溫（例如空曠的星際空間）都可以出現(xiàn)。同樣，太空的壓強也可以遠遠高出或低于地球環(huán)境。因此，很多無法在地球上出現(xiàn)的分子都可能在太空中形成，而且可能穩(wěn)定存在，即使它們反應活性極高。“在星際空間，一個分子可能要花上數(shù)年時間才能遇到另一個分子從而發(fā)生反應?！泵绹鴩液娇蘸教炀职Ｄ匪寡芯恐行牡奶祗w物理學家蒂莫西·李（Timothy Lee）說，“它們可能出現(xiàn)在沒有輻射的區(qū)域，這樣即使穩(wěn)定性很差，它們依舊可以存在很長一段時間?！?/p>

我們從這些太空分子的發(fā)現(xiàn)中收獲頗多。其中一些可能有利用價值，如果科學家能在實驗室合成它們，并發(fā)掘其特性；而另一些分子則幫助我們理解創(chuàng)造地球生命的有機物起源于何方。這些發(fā)現(xiàn)拓寬了我們對宇宙中可能出現(xiàn)的化學反應的理解。

劃時代的望遠鏡

在過去十年間，隨著能夠觀測暗弱譜線的天文望遠鏡陸續(xù)投入使用，尋找太空分子的步伐不斷加速?！斑@是宇宙化學的盛世，” 蘇珊娜·韋弗（Susanna Widicus Weaver）說道。韋弗在艾默里大學領(lǐng)導一個天體化學的研究組，她告訴我們，現(xiàn)在能夠獲得的數(shù)據(jù)相較于十年前她拿到博士學位的時候有巨大飛躍。美國國家航空航天局的高海拔平流層紅外天文臺（SOFIA）安裝在波音747SP飛機上，于2010年開始進行紅外線和微波觀測。2009年，歐洲航天局的赫歇爾空間天文臺發(fā)射升空進入軌道，它的觀測波段與SOFIA相同。

而真正劃時代的則是多國共同參與的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米級波列陣（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array， ALMA），這個由66個射電天線組成的陣列于2013年投入使用。智利的阿塔卡馬沙漠是世界上最干旱的地區(qū)，在海拔5200米的查南托高原火星般紅色的土地上，ALMA的所有天線整齊劃一地扭轉(zhuǎn)方向，幫助觀測者仔細收集來自天體的光。這里夜晚的天空極度黑暗、晴朗，幾乎完全沒有會干擾圖像質(zhì)量的水蒸氣，這使得儀器在從紅外到射電的各個波段，都能達到前所未有的靈敏度和精度。ALMA既做成像觀測，也能獲取圖像中每個像素點的光譜，在它觀測的每一個視場中都會產(chǎn)生數(shù)萬條譜線。“這令人贊嘆，同時也是個巨大的負擔，”韋弗說，“這些數(shù)據(jù)集過于龐大，沒法通過網(wǎng)絡(luò)下載，只能存到閃存盤里郵寄給科學家們?！盇LMA的數(shù)據(jù)洪流為天體化學家提供了大量可供研究的新譜線。但是，類似于犯罪現(xiàn)場留下的身份不明的指紋，這類譜線對于科學家是沒有用的，除非他們能確定是何種分子產(chǎn)生了這些譜線。

尋找線索

科學家可以通過幾種不同的思路將分子與光譜線匹配。以C3H+為例，天體化學家從理論出發(fā)，通過光譜中的線索推測出分子。而一種叫做ab initio （拉丁文“從頭開始”的意思）量子化學的技術(shù)允許科學家們從量子力學出發(fā)，根據(jù)組成該分子的原子中質(zhì)子、中子和電子的運動推算出分子的性質(zhì)。在超級計算機上，研究人員對分子進行模擬，他們不斷微調(diào)分子的結(jié)構(gòu)從而尋找?guī)缀紊献罴训臉?gòu)型。“隨著量子化學的出現(xiàn)，我們的研究不再局限于我們已經(jīng)合成的物質(zhì)?！备ｋ惱镏v道，“不過受分子尺寸的限制，我們?nèi)匀恍枰嗟挠嬎阗Y源來幫助我們完成計算。”

另一種為新分子尋求有力證據(jù)的方式是在實驗室合成它們，然后直接測量其光譜特征。一種常用手段是創(chuàng)建一個氣室，當電流通過氣室時，其中的電子就有機會與氣體分子發(fā)生碰撞，打破原有的化學鍵形成新的物質(zhì)。研究人員將氣壓控制在較低的水平，這樣新形成的物質(zhì)可以在游弋一小段時間之后再遇上其他分子并發(fā)生反應，這一小段時間就給了研究者進行光譜分析的機會。他們用各種波長的光照射氣室，從而觀測氣室中分子的光譜?！澳憧梢栽趯嶒炇抑泻铣膳c太空中相同的分子，但你并不一定知道這是什么分子，”哈佛-史密森尼天體物理中心的物理學家邁克爾·麥卡錫（Michael McCarthy）告訴我們，“所以我們必須結(jié)合眾多針對不同樣品的實驗推測分子的元素組成?！?/p>

2006年，麥卡錫和他的同事合成了帶負電荷的分子C6H-并測得了它的光譜信息，隨后不久他們在430光年外的金牛座分子云中觀測到同樣的光譜特征。在此之前，對負電荷分子的搜尋都以失敗而告終，這使得很多科學家懷疑是否有數(shù)量顯著的負電荷分子存在?！斑@一發(fā)現(xiàn)為我們開啟了全新的探索方式，我們可以在實驗室中合成新分子然后在太空中尋找它們?！丙溈ㄥa介紹道。現(xiàn)在，麥卡錫的團隊已經(jīng)在超過12個不同的宇宙來源中發(fā)現(xiàn)了C6H-。

上世紀80年代，尋找新化學物質(zhì)的科學家合成了一種奇特的分子：氫化氬（36ArH+），其不尋常之處在于，氬是惰性氣體，在這里卻與氫結(jié)合形成化合物。2013年，天文學家通過ALMA在蟹狀星云和一個遙遠的星系中先后觀測到氫化氬。惰性氣體只在極其特殊的情況下才會形成化合物，科學家認為宇宙射線（高能量的帶電粒子）高速撞向氬原子，使氬的電子松動，這樣氫就有機會與氬發(fā)生化學反應。因此，氫化氬成為了太空中強宇宙射線區(qū)域的指示物。研究團隊的領(lǐng)導者，科隆大學的霍爾格·穆勒（Holger Müller）表示，氫化氬指示了太空中非常重要的一種環(huán)境。

分子新世界

很多潛伏在恒星與星云中的分子都是極端條件下的產(chǎn)物，這些分子被握在手中時看起來是什么樣的，摸上去感受如何？這樣的問題毫無意義，因為你永遠也抓不住它們——它們會瞬間反應變成其他物質(zhì)。如果你真的有機會接觸到它們，很不幸，人們已經(jīng)證明這些分子幾乎都有毒性和致癌性。奇特的是，科學家對于其中一些分子的氣味有著初步的看法：目前發(fā)現(xiàn)的很多分子被屬于芳香族化合物。這一類物質(zhì)是苯的衍生物，它們正是因為濃郁的氣味而得名。

一些新型化合物展現(xiàn)出驚人的原子結(jié)構(gòu)，原子間以前所未見的方式共享電荷，這向現(xiàn)今的成鍵理論提出了挑戰(zhàn)。一個案例是SiCSi分子，它于今年在一顆處于生命末期的恒星上被發(fā)現(xiàn)。在這種分子中，兩個硅原子與一個碳原子以一種意想不到的方式成鍵。這個分子的結(jié)構(gòu)相對松散，其發(fā)出的光譜也與理論模型的預測截然不同。

太空分子有機會幫助我們解開一個宇宙基本問題的謎底：生命是如何起源的？科學家們不知道氨基酸這種構(gòu)成生命的基本物質(zhì)是先出現(xiàn)在地球，還是首先出現(xiàn)在外太空，而后被彗星和隕石帶到地球上?！瓣P(guān)鍵問題是，氨基酸是在恒星形成時的分子云中誕生，還是在行星或其他巖石表面出現(xiàn)？”韋弗發(fā)問道。這個問題的答案將決定氨基酸是在宇宙中隨處可見、生命的種子可能在無數(shù)行星上播種，還是僅僅在我們的星球上發(fā)芽。天體化學家已經(jīng)在宇宙中找到氨基酸以及可能形成氨基酸的分子序列的蹤跡。

這些罕見分子的另一個意義在于，如果其中一些能夠在可控條件下大量制備并儲存，它們或可為我們所用?！叭藗儗τ谟钪婊瘜W最大的期望就是找到具有全新特質(zhì)的分子，并且用它們解決地球上的難題，”福滕貝里憧憬道。一個案例是足球形狀的分子富勒烯，也被稱作“巴基球”，這種由60個碳原子組成的物質(zhì)最初于1985年在實驗室被合成（順帶一提，其發(fā)現(xiàn)者因為這項工作獲得了諾貝爾獎）。近十年后，天文學家在星際氣體中發(fā)現(xiàn)了光譜特征與帶正電荷的富勒烯一致的分子。這一關(guān)聯(lián)在今年七月得到證實，研究者在實驗室類似太空的環(huán)境中創(chuàng)造出富勒烯，光譜分析的結(jié)果與之前在宇宙中的發(fā)現(xiàn)一致?！艾F(xiàn)在，這種分子遍布銀河系甚至全宇宙。”富勒烯的共同發(fā)現(xiàn)者之一，現(xiàn)任佛羅里達州立大學化學教授的哈羅德·克羅托（Harold Kroto）介紹道。富勒烯不僅是太空中奇特的發(fā)現(xiàn)，它在納米科技中是一種實用的工具，能被用來增加材料強度、提升太陽能電池性能，甚至用于制藥領(lǐng)域。

盡管太空分子的研究不斷取得進展，但對太空分子的深奧世界，科學家只接觸到了冰山一角。這些已經(jīng)浮出水面的發(fā)現(xiàn)告訴我們，我們生活的世界只是宇宙中不起眼的一個角落， 也不具備代表性，不能以其為范例判斷何種物質(zhì)可以存在。或許，我們所熟悉的物質(zhì)在整個宇宙中是不常見的，而巴基球、C3H+以及更多我們尚未發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)卻是宇宙中的主要成分。

原文鏈接：http://www./article/the-hunt-for-alien-molecules/

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