神秘的土星卫星泰坦的大气烟雾

一组科学家发现了泰坦独一无二的化学物质中“缺失的一环”

土星最大的卫星，土卫六，在我们太阳系的所有卫星中是独一无二的，因为它稠密且富含氮的大气中也含有碳氢化合物和其他化合物，而这种丰富的化学混合物形成背后的故事一直是一些科学争论的源头。现在,涉及化学科学的科学家研究协作部门美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)已经将目光锁定在一种低温化学机制,可能驱动multiple-ringed分子——前体的形成更复杂的化学现在发现在月球的brown-orange霾层。

这项研究由夏威夷大学的拉尔夫·凯泽(Ralf Kaiser)共同领导，发表在10月8日出版的《自然天文学》(Nature Astronomy)杂志上。该研究与科学理论相悖，该理论认为，高温反应机制需要产生卫星任务在泰坦大气中观测到的化学组成。研究小组还包括伯克利实验室、夏威夷大学马诺亚分校、俄罗斯萨马拉大学和佛罗里达国际大学的其他研究人员。研究小组在伯克利实验室的高级光源(ALS)上进行了真空紫外光实验，并结合计算机模拟和建模工作，演示了有助于泰坦现代大气化学的化学反应。

伯克利实验室化学科学部的科学家、ALS研究项目的联合负责人穆萨希德艾哈迈德(Musahid Ahmed)说:“我们提供了人们从未想到过的低温反应途径的证据。”“这导致了泰坦化学中一个缺失的环节。”他解释说，土卫六可能会为包括地球在内的其他卫星和行星上复杂化学物质的发展提供线索。“人们用泰坦来思考‘生命起源前’的地球——那时氮在早期的地球大气中更为普遍。”苯是一种简单的碳氢化合物，具有六碳单环的分子结构，在泰坦上已经被发现，它被认为是更大的碳氢化合物分子的基石，这些分子具有两环和三环的结构，进而形成了其他碳氢化合物和气溶胶颗粒，构成了泰坦的大气。这些多环烃分子被称为多环芳烃(PAHs)。

在最新的研究中，研究人员将两种短寿命的两环多环芳烃——萘基自由基(C10H7)和乙烯基乙炔(C4H4)——混合在ALS上，并在此过程中产生了三环多环芳烃。这两种用来驱动反应的化学物质都是根据已知的泰坦大气的化学组成推断出存在于泰坦上的。ALS实验将反应的最终产物从一个小反应室喷射出来。研究人员使用一种被称为反射电子飞行时间质谱仪的探测器来测量两种气体反应产生的分子碎片的质量。这些测量结果提供了三环多环芳烃(菲和蒽)化学成分的详细资料。虽然ALS实验使用化学反应器来模拟化学反应，并使用真空紫外光来检测反应产物，但支持计算和模拟表明，ALS实验中形成的化学物质不需要高温。Kaiser说，多环芳烃和ALS研究所研究的化学物质一样，它们的特性使得它们在深空中特别难以识别。“事实上，在星际介质的气相中没有一个单独的多环芳烃被探测到，”星际介质是填满恒星间空间的物质。他补充说:“我们的研究表明，多环芳烃的传播范围比预期的要广，因为它们不需要碳恒星周围的高温。我们所探索的这种机制被预测是多功能的，并有望导致更复杂的多环芳烃的形成。

因为多环芳烃是前体形成分子云——所谓的“分子工厂”更复杂的有机分子,包括我们知道的生命的前体——“这可能开放理论和新模型的含碳材料在外层空间和丰富大气层太阳系行星及其卫星的发展和产生,”他说。佛罗里达国际大学(Florida International University)的化学教授、该研究的共同负责人亚历山大m梅贝尔(Alexander M. Mebel)进行了计算，结果显示，这些反应物可以在非常低的温度下自然地结合在一起，形成新的化合物。“我们的计算揭示了反应机制，”Mebel说。“我们证明了你不需要任何能量来驱动环烷和乙烯乙炔的反应，所以即使在泰坦上的低温和低压大气条件下，反应也应该是有效的。”

这项研究的关键是对混合气体的反应堆电池进行详细建模。Mebel指出，对反应堆内部能量的建模和气体流动动力学的模拟有助于监测反应堆内部的反应进程，并允许研究人员将理论结果与实验观察结果紧密结合。这项建模工作是由萨马拉大学的研究小组领导的，它帮助预测反应中产生的化学物质，这些化学物质是基于初始气体和加热室的温度和压力，在加热室中气体被混合并与真空紫外束撞击。“通过将这个模型与实验进行比较，对这个模型的验证也有助于预测反应在不同条件下会如何进行——从泰坦的大气层到地球上燃烧的火焰。”

凯瑟说，继续研究的一个目标是，揭示即使在极端环境中，具有与DNA和RNA相似结构的含碳化合物是如何形成的细节。