新实验表明 覆盖着尘埃的薄冰上存在着复杂的地球化学

来自马克斯普朗克天文研究所和耶拿大学的天文学家对自然界微小的深空实验室有了更清晰的认识：微小的尘埃颗粒被冰覆盖。这些颗粒似乎不是蓬松的尘埃网络，而是一层薄冰，而不是覆盖在冰面上的规则形状的冰。特别是，这意味着灰尘颗粒有一个大的表面，这是大多数化学反应发生的地方。因此，这种新结构对天文学家对空间有机化学的看法产生了根本性的影响，因此它对于可能在地球生命起源中发挥重要作用的前生物分子的产生也具有重要意义。

在深空中创造复杂的分子不是一件容易的事情。据我们所知，发生必要反应的天然实验室是表面冻结的星际尘埃颗粒。现在，耶拿大学MPIA实验室天体物理学小组的阿列克谢波塔波夫(Alexei Potapov)及其同事的新实验结果表明，尘埃颗粒本身在可能如此薄的冰层的表面结构中发挥着重要作用。

这开辟了一个新的研究领域：对生命有机前驱分子的宇宙起源感兴趣的人将需要仔细研究宇宙尘埃粒子表面的不同性质及其与少量冰的相互作用。以及由此产生的复杂环境在帮助合成复杂有机分子中的作用。

当我们思考生命和我们如何进入宇宙时，有几个重要的步骤，包括物理、化学和生物。据我们所知，最早的生物故事发生在地球上，但无论是物理还是化学都不是这样的：大部分化学元素，包括碳和氮，都是恒星内部核聚变产生的(“我们是恒星”，卡尔萨根有句名言。

分子，包括形成氨基酸或我们自己的DNA所需的有机分子，都可以在星际介质中形成。在少数探测器可以直接分析宇宙尘埃的情况下，即星尘和罗塞塔任务，发现了简单氨基酸甘氨酸等复杂分子。在行星系统的演化过程中，有机分子可以通过陨石和早期彗星被运送到行星表面。

起初，这不是一个简单的问题。这些分子是如何在恒星之间几乎空白的空间中形成的？在外太空，大多数原子和分子都是超薄气体的一部分，几乎没有相互作用，更不用说构建更复杂的有机分子所需的相互作用了。

20世纪60年代，对星际化学感兴趣的天文学家开始提出星际尘埃可以作为“星际实验室”的想法，这将促进更复杂的化学反应。这种颗粒，无论是碳基还是硅酸盐基，通常都是在冷恒星外层或超新星爆炸后形成的。在气体和尘埃云中，不同种类的分子会附着在(冷)粒子上，分子会不断积累，最终导致有趣的化学反应。具体来说，尘埃粒子在冰地幔中的积累(主要是一些其他分子如水冰和一氧化碳)大约需要10万年。然后，冰层将作为一个微型宇宙化学实验室。

对这个话题感兴趣的天文学家很快意识到，他们需要实验来解释他们对星际气体云的观察。他们将需要在地球上的实验室里研究被冰覆盖的尘埃颗粒以及它们与分子的相互作用。为此，他们将使用真空室来模拟空旷的空间和适当的温度。当时假设化学物质在冰的表面，所以习惯上在这个实验中使用冰层。这种冰层适用于普通表面，如溴化钾(KBr)晶体板或金属表面。然而，新的结果表明，这充其量只是一部分。

行星的形成和生命起源的探索是马普天文研究所(MPIA)的主要研究目标，冰尘在这两者中都扮演着重要的角色。因此，自2003年以来，MPIA一直在耶拿的弗里德里希席勒大学固体物理研究所建立一个实验室天体物理学和团簇物理学小组。

这组设备的一部分是激光，可以用来制造人造宇宙尘埃粒子。因此，激光对准石墨样品从表面侵蚀(烧蚀)出直径只有纳米(一纳米等于十亿分之一米)的微小颗粒。当新论文的主要作者、耶拿实验室天体物理学组的阿列克谢波塔波夫(Alexei Potapov)及其同事研究人造尘埃粒子时，不同种类的冰会在表面形成，他们开始怀疑化学标准图像。冰冷的表面。

他们在实验室中制造的尘埃粒子并没有像洋葱一样被几层固体冰(水冰或一氧化碳冰)完全覆盖，而是尽可能接近真实的深空条件，——个蓬松的尘埃和冰网被多次锯掉。

使用这种形状，它们的总表面积比简单形状大得多(几百倍)，这是一种计算规则，改变了一些粒子如何被分子云中检测到的水覆盖。因为表面积小，完全被可利用的水覆盖，所以我们到达的表面积更大。有些地方会有更厚的层，而有些地方只有一层冰晶，因为没有足够的水覆盖几层冰，覆盖所有巨大的表面积。

这种结构对冰尘颗粒作为微型宇宙实验室的功能有着深远的影响。化学反应取决于粘附在表面的分子以及这些分子如何移动(消散)、与其他分子相遇、反应、粘附或不再粘附。在新的蓬松多尘的宇宙实验室里，这些环境条件完全不同。

波塔波夫说：“现在，我们知道了尘埃粒子的重要性，新的参与者进入了天体化学竞赛。认识新的参与者可以让我们更好的了解可能导致后来化学反应的自由基。

这种化学反应。生命出现在宇宙中。"

同样，如果颗粒不是隐藏在厚厚的冰层下，而是能够与附着在表面的分子相互作用，那么它们就可以起到催化剂的作用，化学反应的速率只有通过它们的存在才能改变。突然，一些形成有机分子(如甲醛)或一些氨化合物的反应变得更加常见。两者都是前生物分子的重要前体，因此焦点的变化会直接影响我们对地球化学生活史的解释。

合著者和MPIA主任托马斯亨宁说：“这些是发现空间复杂分子形成的令人兴奋的新方向。作为后续措施，MPIA刚刚开放了一个新的“生命起源”实验室。新的研究。”

总的来说，新的结果和以往实验中获得的许多类似结果构成了对天体化学界的一个警醒：如果你想了解星际介质中的天体化学及其对生命起源的影响，

影响，远离冰冷的洋葱。拥抱灰尘表面的作用。拥抱大自然的微小宇宙实验室可能蓬松的事物。