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科學家在地球合成“外星礦物” 幫助了解土衛六泰坦的奇特地表上到底有些什么?

我們可以從美國航天總署(NASA)卡西尼號(Cassini)宇宙飛船傳回的這張近紅外波段彩色拼接影像中,看到泰坦的北極海域閃爍著陽光。 根據目前地球上正在進行的

我們可以從美國航天總署(NASA)卡西尼號(Cassini)宇宙飛船傳回的這張近紅外波段彩色拼接影像中,看到泰坦的北極海域閃爍著陽光。 根據目前地球上正在進行的研究顯示,當這些由液態碳氫化合物構成的寒冷海洋蒸發時,可能會留下不尋常的微小有機化合物混合結晶顆粒。 IMAGE BY NASA/JPL-CALTECH/UNIVERSITY OF ARIZONA/UNIVERSITY OF IDAHO

研究人員研究乙炔和丁烷這兩種在泰坦上可能很常見的化合物如何混合和結晶,因而發現了一種先前未知、但在泰坦上可能含量相當豐富的「礦物」。 我們可以從這兩張相隔三分鐘

研究人員研究乙炔和丁烷這兩種在泰坦上可能很常見的化合物如何混合和結晶,因而發現了一種先前未知、但在泰坦上可能含量相當豐富的「礦物」。 我們可以從這兩張相隔三分鐘拍攝的顯微鏡影像看到,新發現的晶體形態如何隨時間變化。 IMAGE BY MORGAN L. CABLE AND TUAN H. VU

(神秘的地球uux.cn報道)據美國國家地理(撰文:MAYA WEI-HAAS 編譯:邱彥綸):科學家在地球合成「外星礦物」!這項新發現能幫助科學家了解土衛六泰坦(Titan)的奇特地表上到底有些什么?

摩根. 凱伯(Morgan Cable)在實驗室里創造了一個外星世界的微小縮影。 她可以攪動一個烈酒杯大小的湖泊,釋放柔和噴灑的雨水,激發出其他奇景,以仿真泰坦的奇特地表。 在這個遙遠的星球上,氣溫會驟降至攝氏零下幾百度,液態甲烷和乙烷形成的河流瞬間凝固,讓峽谷變成了冰封的水冰奇觀。

美國航天總署噴射推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory)天文生物學和海洋星球組 (Astrobiology and Oceans Worlds Group)的科學家凱伯表示:「以某種程度來說, 我們可以在實驗室里觸摸到泰坦——盡管它離我們有十幾億公里遠。 」

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多年來,他們一直致力于研究這樣的微縮世界,而他們最新的泰坦迷你世界引發了全球的關注:他們將乙炔和丁烷以一種新奇的方式混合后,竟創造出了一種全新的「礦物」。 這種新物質并不完全符合地球上常見的「礦物」定義,因為還需要確認它可以在自然界中形成。 目前,我們先在技術上將其稱為「共晶體」(co-crystal)。

科學家在《美國化學學會地球與太空化學》(ACS Earth and Space Chemistry)期刊上發表的報告表示,這種奇怪的物質很可能無法在地球上自然形成,但或許會大量存在富含碳氫化合物的泰坦表面上。 如果確實如此,這項發現將為研究泰坦演化和可能擁有地球未曾見過生命的環境提供新方法。 舉例來說,最近就有其他科學家在泰坦上發現了可能以乙烯為基礎的生命組成原料。

凱伯提到這個實驗時表示:「我們祈求它能帶來一些有趣的發現。 」

發現珍寶

在幾年前,凱伯和同事讀到泰坦碳氫化合物湖泊周圍奇特構造的新聞。 美國航天總署前往土星的卡西尼號(Cassini)任務數據顯示,在湖泊干涸之后,有種神秘的物質被遺留下來,就像是浴缸的水流盡之后所留的水垢環。 研究團隊想知道,這些殘留物是由什么構成的?

當研究人員開始懷疑各種可能性時,他們意識到──這些殘留物應該會是泰坦液態甲烷和乙烷湖泊中最不易溶解的物質。 所以他們將目標鎖定為苯和乙烷,這兩種物質就像油和水一樣互不混合。 研究人員推斷,如果湖泊中有些液體蒸發了,那么苯會是最先遺留下來的物質。

在實驗室中,這些混合的化合物確實形成了結晶。 為了進一步了解這些晶體,研究團隊利用雷射照射晶體,記錄散射回的光譜并進行分析,這種稱為拉曼光譜分析法(Raman spectroscopy)的方法,可以揭露分子間交互作用和化學鍵性質等信息。

凱伯回憶道:「我的一位同事看了光譜之后,說這太奇怪了。 」看起來苯好像在乙烷周圍形成了一種不尋常的有機晶體。 研究團隊受到這個結果的啟發,開始嘗試其他泰坦上的物質組合,看看會形成什么樣的東西。

在最新的研究中,研究團隊將注意力轉向了兩種在泰坦表面可能的常見物質:乙炔和丁烷。 這兩種化合物在常溫常壓下都呈現氣體狀態,因此他們將這二者灌入小型的冷凍室內,氣體在此處接觸到冷凍的顯微鏡載玻片后,會凝結并重新排列,最后形成這種新發現的共晶物質。

研究團隊也相當好奇,如果是在泰坦表面的溫度和壓力條件之下,這種奇怪的物質會有多穩定? 答案是:相當穩定。 他們試著把液態的乙烷倒在晶體上,這就像泰坦表面下起陣雨時可能發生的情況,這些共晶仍然頑強地維持固態。

開啟「蜻蜓」時代

并未參與此研究的華盛頓大學(University of Washington)巴普蒂斯特. 約和諾(Baptiste Journaux)表示,這個發現代表科學家對遙遠星球的思考方式,已經轉變得更為復雜。

「如果不考慮地球的化學多樣性和礦物多樣性,我們是無法了解地球的,」他說道。 「你不會理解為什么會有山、為什么有火山、為什么會有不同類型的地殼、又為什么會發生對流。 」

其他的行星和衛星也是如此。 對地球上的我們來說,泰坦的環境非常復雜,因此看起詭異地熟悉。 沙丘在衛星的赤道附近起伏,冰凍的「卵石」散落在平原上,湖泊和海洋在表面開展,湖邊甚至可以形成泡沫。 但泰坦的化學特性與地球截然不同,有許多有毒的有機化合物在環境中循環。

如果這種新發現的礦物真的存在于泰坦上,那么它能夠在實驗室內合成和操作的這種特性,可能有助于解釋泰坦獨特的物理特征是如何形成和演化。 更重要的是,地球上利用乙炔的微生物可以從這種有機化合物中獲取能量。 可能存在于泰坦上的這種礦物,或許會是外星微生物的濃縮食物來源——雖然目前有關泰坦上有外星生命的任何說法,都還僅只于猜測。 也在美國航天總署天文生物學研究所(NASA Astrobiology Institute)任職的約和諾警告,我們不能因為某個環境看起來適合生命生存,就說此處有生物存在。

「這項工作讓我非常興奮,這是很酷的發現,」瑞典查爾姆斯理工大學(Chalmers University of Technology)的理論化學助理教授馬丁. 拉姆(Martin Rahm)表示,「目前參與這類工作的人似乎很少,我認為還有很多種共晶等著我們去發現。 」

隨著美國航天總署 「蜻蜓號」(Dragonfly)任務的最終發射,研究人員很快就會了解更多關于泰坦的奧秘。 「蜻蜓號」是架雙四軸飛行器,預定于2034年登陸泰坦表面。 在此同時,研究團隊計劃繼續探索泰坦上化合物的混合物,也許會嘗試三種有機物質的更復雜組合。 他們也想要研究這些奇特共晶的性質——甚至最后可能是預測其他共晶何時會在真正的外星世界中形成。

「我們還沒到那一步,」凱伯表示,「現在,我們實驗室主要是把各種不同的物質混在一起,看看會發生什么事,這太有趣了。 」




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