寻找外星分子

马头星云中隐藏着一些奇怪的东西。这个星云因其酷似骏马轮廓而得名，是距地球 1,500 光年的尘埃和气体巨云，新恒星在其中不断诞生。它是最容易辨认的天体之一，科学家们对其进行了深入研究。但在 2011 年，毫米波射电天文学研究所 (IRAM) 和其他机构的天文学家再次对其进行了探测。他们使用 IRAM 在西班牙内华达山脉的 30 米望远镜，对马头星云马鬃的两个部分进行了无线电光观测。他们对拍摄更多马头星云的照片不感兴趣；相反，他们追求的是光谱——将光分解成其组成波长的读数，从而揭示星云的化学成分。数据显示在屏幕上，看起来像心电监护仪上的脉冲；每个摆动都表明星云中的某个分子发射了特定波长的光。

宇宙中的每个分子都会根据其内部质子、中子和电子的排列方式产生自己特有的摆动。马头星云数据中的大多数摆动很容易归因于常见的化学物质，如一氧化碳、甲醛和中性碳。但马头星云中的一个位置也有几条小的、未识别的谱线，它们在频率上彼此等距。这些谱线代表着一个谜——一种科学界完全未知的分子。

在看到数据后，巴黎天文台的伊夫琳·鲁埃夫和团队中的其他化学家立即开始假设什么样的分子可能会产生这种信号。他们得出结论，未知的物质必定是线性分子——一种原子排列成直链的化合物。只有某种类型的线性分子才会产生化学家们看到的光谱模式。在研究了可能的分子列表后，他们发现了 C₃H⁺，即丙炔基亚基。这种分子离子以前从未被见过。事实上，根本没有证据表明它存在。如果它能形成，它将非常不稳定。在地球上，它几乎会立即与其他物质发生反应，转化为更稳定的物质。但在太空，压力很低，分子很少遇到其他物质结合，C₃H⁺ 可能能够存活下来。

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鲁埃夫和她的同事研究了马头星云是否包含形成该分子的正确成分和条件。2012 年，他们在《天文学与天体物理学》杂志上发表了一篇论文，得出结论，他们看到的摆动很可能属于 C₃H⁺。“我自己也相对有信心，”鲁埃夫说。“但说服所有人我们做出了正确的鉴定，大约花了二到三年时间。”

起初，一些怀疑论者对这一说法提出质疑——如果 C₃H⁺ 以前从未被见过，他们怎么能确定这就是它呢？2014 年，德国科隆大学的研究人员成功地在实验室中短暂地制造出了 C₃H⁺，这成为了关键证据。这一壮举不仅证明了该分子可能存在，还使科学家能够测量它在激发时产生的光谱——正是马头星云中出现的光谱。“能够找到我们以前没有真正考虑过的新分子，真是令人欣慰，”鲁埃夫说。“当您能够通过一系列逻辑来识别它时，就像当侦探一样。”

一种外星分子被确认，还有更多更多。马头星云并非异常现象。几乎在天文学家观察到的宇宙中的任何地方——如果他们足够仔细地观察——他们都会看到未识别的谱线。我们人类熟悉的化合物，即造成地球上材料巨大多样性的物质，只是自然界创造的物质的一小部分。最后，经过数十年的理论模型和计算机模拟技术开发工作，以及重现新分子的实验室实验，天体化学家正在为许多未识别的谱线命名。

空旷的太空

早在 20 世纪 60 年代，大多数科学家都怀疑星际空间中是否可能存在分子——那里的辐射被认为过于强烈，以至于除了原子和一些基本的自由基之外，任何物质都无法生存。1968 年，加州大学伯克利分校的物理学家查尔斯·汤斯决定无论如何都要在太空中寻找分子。“我感觉伯克利的大多数天文学家都认为我的想法有点疯狂，”汤斯（2015 年去世的诺贝尔奖获得者）在 2006 年为太平洋天文学会撰写的报告中回忆道。但汤斯勇往直前，为加利福尼亚州哈特克里克射电天文台的 6 米天线建造了一个新的放大器，该放大器揭示了人马座 B2 云中氨的存在。“多么容易，多么令人兴奋！”他写道。“新闻媒体和科学家都开始对我们议论纷纷。”

自那时以来，天文学家已经在太空中发现了 200 多种分子。其中许多与地面上看到的物质截然不同。“我们通常根据地球上的条件进行化学研究，”佐治亚南方大学的天体化学家瑞安·福滕贝里说。“当我们摆脱这种模式时，可以创造的化学物质是无限的。如果您能梦想出一个分子，无论多么奇异，在漫长的岁月和浩瀚的宇宙中，它都有有限的可能性在某个地方存在。”

太空确实是外星环境。温度可能比地球上高得多（例如在恒星的大气层中），也可能低得多（在相对空旷的星际空间中）。同样，压力（极高或极低）也远非地球上的压力。因此，分子可以在太空中形成，而这些分子永远不会在我们的星球上出现——然后它们可以留下来，即使它们具有高度反应活性。“在星际空间中，一个分子可能需要经过很多年才能撞到另一个分子，”美国宇航局艾姆斯研究中心的物理学家蒂莫西·李说。“它可能位于一个没有辐射的区域，因此即使它不是那么稳定，也可以存在很长时间。”

一旦被识别出来，这些太空分子就可以教会我们很多东西。如果科学家能够在实验室中制造出它们并学会利用它们的特性，其中一些分子可能会被证明是有益的。其他分子可能有助于解释地球上生命的有机化合物的起源。所有这些分子都有望扩展宇宙化学的可能界限。

改变游戏规则的望远镜

在过去的十年中，随着能够观测到微弱谱线的强大新望远镜上线，对外星分子的搜索加速了。“现在是天体化学的鼎盛时期，”埃默里大学天体化学小组负责人苏珊娜·维迪库斯·韦弗说。她说，即使在 2015 年，可用的数据也比她完成博士学位时十年前的数据有了巨大的改进。美国宇航局安装在波音 747SP 侧面的高空平流层红外天文台 (SOFIA) 于 2010 年开始在红外线和微波光下进行观测，欧洲航天局的赫歇尔空间天文台于 2009 年发射进入轨道，目标也是相同的波长。

然而，真正的游戏规则改变者是多国阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波阵列 (ALMA)，这是一个由 66 个射电天线组成的星座，于 2013 年启用。ALMA 位于海拔约 5,200 米的查赫南托高原上，这是一片火星般的红色广阔区域，位于世界上最干燥的智利阿塔卡玛沙漠中，ALMA 的匹配天线齐心协力地旋转，观测者从宇宙物体中收集光线。极其黑暗和晴朗的天空几乎没有模糊图像的水汽，这使得望远镜在从红外线到无线电波长的范围内具有前所未有的灵敏度和精度。ALMA 为其图像的每个像素创建视觉图片和光谱，在它观测的每个视野中产生数万条谱线。“这既令人惊叹又令人难以承受，”维迪库斯·韦弗说。“这些数据集非常大，以至于他们通常不得不将它们邮寄给科学家，使用闪存驱动器，因为他们无法下载它们。”大量的数据为天体化学家提供了丰富的新的谱线资源。但就像犯罪现场的未识别指纹一样，除非科学家能够确定是哪些分子创造了这些谱线，否则这些谱线对他们来说毫无用处。

寻找联系

为了将分子与这些谱线匹配起来，科学家可以从几个方向入手。就像 C₃H⁺ 的情况一样，天体化学家可能会从光谱中寻找线索，猜测谱线背后可能是什么分子。一种称为 从头算 量子化学（从头算 在拉丁语中是“从头开始”的意思）的技术使科学家能够从纯粹的量子力学——描述亚原子粒子行为的理论——出发，根据原子中质子、中子和电子的运动来计算分子的性质。在超级计算机上，科学家可以重复运行分子的模拟，每次都稍微调整其结构及其粒子的排列，并观察结果以找到化合物的最佳几何结构。“借助量子化学，我们不受我们能合成的东西的限制，”福滕贝里说。“我们受到分子大小的限制。我们需要大量的计算能力来进行计算。”

研究人员还可以通过在实验室中制造新分子并直接测量其光谱特征来寻找新分子的确凿证据。一种常见的技术是从一个气体室开始，并向其中通入电流。电流中的电子可能会与气体分子碰撞并破坏其化学键，从而产生新的物质。研究人员将气体保持在非常低的压力下，以便任何产生的化学物质都有机会在撞到另一个分子并发生反应之前停留片刻。然后，科学家将向腔室照射各种波长的光，以测量腔室内部物质的光谱。“您可以达到在实验室中产生与太空中发生的分子相同的分子的程度，但您不一定知道该分子是什么，”哈佛-史密森天体物理学中心的物理学家迈克尔·麦卡锡说。“因此，您必须尝试从不同样品的各种实验室实验的组合中推断出元素组成。”

2006 年，麦卡锡和他的同事制造了带负电荷的分子 C₆H⁻ 并测量了其光谱。不久之后，他们在距地球约 430 光年的星际金牛座分子云中发现了相同的光谱特征。之前在太空中寻找负分子的努力都一无所获，因此许多科学家怀疑它们是否大量存在。“这引导我们进行了一系列发现，我们能够在实验室中检测到相关的分子，然后在太空中检测到，”麦卡锡说。他的团队和其他人现在已经在十几个宇宙源中发现了 C₆H⁻。

在 20 世纪 80 年代，试图制造新化学物质的科学家制造出了氩鎓 (³⁶ArH⁺) 分子，这是一种通常在地球上找不到的奇怪化合物，它将氢与通常呈惰性的气体氩结合在一起。2013 年，天文学家在太空中发现了氩鎓，首先是在蟹状星云中，后来通过 ALMA 观测在一个遥远的星系中也发现了它。基于稀有气体的化合物仅在非常特定的情况下形成；科学家认为，在太空中，高能带电粒子，称为宇宙射线，撞击氩并击落电子，使其能够与氢结合。因此，如果科学家在太空的某个区域看到氩鎓，他们可以推测该区域充满了宇宙射线。“这是这些情况的非常具体的指标，而这些情况在太空中实际上非常重要，”科隆大学的霍尔格·穆勒说，他是 ALMA 发现背后的团队负责人。

分子的新世界

潜伏在恒星和星云中的许多分子都极其陌生。问及如果您能将它们握在手中，它们会是什么样子或感觉，这是毫无意义的，因为您永远无法握住它们——它们会立即发生反应。如果您确实设法与它们接触，它们几乎肯定会被证明是有毒和致癌的。然而，奇怪的是，科学家们对某些外星分子闻起来的味道有一个大致的想法：迄今为止检测到的许多分子都属于一类称为芳香族化合物的化合物，它们源自苯 (C₆H₆)，最初因其强烈的气味而得名。

一些新化合物揭示了令人惊讶的原子结构，并在原子之间以不可预见的方式共享电荷。有时，它们会挑战当前分子键合理论。最近的一个例子是分子 SiCSi，它于 2015 年在垂死恒星中被发现，它由两个硅原子和一个碳原子组成，它们以一种意想不到的方式结合在一起。由此产生的分子有点松散，产生的光谱与简单的理论模型预测的不同。

太空分子可能有助于回答宇宙最基本的问题之一：生命是如何开始的？科学家们不知道氨基酸（生命的基石）是首先在地球上还是在太空中产生的（然后通过彗星和陨石被输送到我们的星球）。“最大的问题是，它们是否在分子云中形成，当恒星形成时，”维迪库斯·韦弗问道，“或者它们是在您拥有行星或其他一些岩石块，化学反应可以在其表面发生后才形成的？”答案将决定氨基酸是否可能在宇宙中大量存在，并且可以用来在无数系外行星上播撒生命的种子，或者引发我们生命的化学反应是否仅限于我们自己的行星摇篮。天体化学家已经发现了太空中氨基酸的迹象，以及可能产生氨基酸的分子序列。

最后，如果某些稀有物质能够以足够的量制造出来并保持在受控条件下，它们可能会被证明是有用的。“天体化学的最大希望是我们可以找到具有全新特性的分子，并将这些特性应用于地球上的问题，”福滕贝里说。一个例子是足球形状的分子“富勒烯”。这些由 60 个碳原子组成的大型聚集体于 1985 年首次在实验室中出现（并为它们的发现者赢得了诺贝尔奖）。大约十年后，天文学家在星际气体中看到了光谱特征，这些特征看起来与带正电荷的富勒烯版本一致，并且在 2015 年，当研究人员将这些特征与在实验室中类太空条件下制造的富勒烯光谱相匹配时，这种联系得到了证实。“这种分子现在遍布银河系和整个宇宙，”已故的富勒烯共同发现者、时任佛罗里达州立大学化学教授的哈罗德·克罗托指出。最近，富勒烯被证明不仅是太空中发现的一种怪癖，而且是纳米技术的实用工具，可用于增强材料、改进太阳能电池，甚至用于制药。

在这一点上，天体化学家仍在测试太空中浩瀚分子海洋中的浅水区。他们已经发现的物质提醒我们，我们自己宇宙的小角落仅仅是那样——一个微不足道的，而且不一定具有代表性的，对可能事物的样本。也许我们在地球上熟悉的物质实际上是奇异的物质，而富勒烯、马头星云、C₃H⁺ 和其他仍然未知的物质才是宇宙的普通物质。