科学家在地球合成“外星矿物”,或有助于土卫六的研究

撰文:MAYA WEI-HAAS

美国宇航局卡西尼号宇宙飞船(Cassini spacecraft)传回的这张近红外多彩镶嵌图像显示,土卫六的北极海域阳光闪烁。地球目前正在进行的研究表明,当这些液态碳氢化合物构成的寒冷海洋蒸发时,它们可能会留下微小的有机化合物混合物结晶颗粒。

图片来源:NASA/JPL-CALTECH/UNIVERSITY OF ARIZONA/UNIVERSITY OF IDAHO

Morgan Cable对外星环境进行了微缩。她可以搅动一个烈酒杯般大小的湖泊,释放柔和喷洒的雨水,激发出其他奇景来模拟土卫六的奇异表面。在这个遥远的世界里,气温会骤降至零下数百摄氏度,液态甲烷和乙烷形成的河流瞬间凝固,山谷也变成了冰封的水冰奇观。

“在某种程度上讲,我们可以在实验室里触摸到土卫六——尽管它离我们有十几亿公里远,”Cable说道,她是美国宇航局喷气推进实验室天体生物学和海洋世界组(Astrobiology and Oceans Worlds Group)的科学家。

多年来,他们一直致力于研究这些微型星球,而他们最新的“土卫六”微型复制品引发了全球关注:将乙炔和丁烷以一种新奇的方式混合后,他们创造出了一种新的“矿物”。这种新物质并不完全符合地球上常见矿物的定义,因为现在仍需要确认它可以在自然界中形成。学术上称其为共晶(co-crystal)。

科学家们在《美国化学学会地球与空间化学》杂志上发表的报告称,这种奇怪的物质很可能无法在地球上自然形成,但在土卫六富含碳氢化合物的表面可能会大量存在。如果确实如此,这将为研究土卫六的演化和环境提供新的方法——比如它可能拥有地球上从未见过的生命。(例如,其他科学家最近在土卫六上发现了以乙烯为基础的生命。)

“我们希望它能带来一些有趣的发现,”Cable说道。

发现珍宝

几年前,Cable和同事们读到过土卫六碳氢化合物湖周围的奇特构造的新闻。美国宇航局(NASA)卡西尼号探测器(Cassini)收集到的数据表明,随着湖泊干涸,一种神秘的物质被遗留下来,就像浴缸排水后残留的泡沫环。研究小组想知道,这些残留物是由什么构成的?

当他们开始对若干可能性感到困惑时,研究人员意识到,在土卫六的液态甲烷和乙烷湖中,它应该是最不易溶解的物质。所以,他们将目标锁定为苯和乙烷。研究人员推断,如果湖中的一些液体蒸发掉,苯将会是首个遗留下来的物质。

这些化合物的混合物在实验室中确实形成了晶体。为了进一步了解它们,研究小组用激光照射晶体,记录散射回来的光谱并进行分析,这种方法称为拉曼光谱分析法,它可以揭示分子间的相互作用及其化学键的性质等信息。

Cable回忆道:“我的一个同事看了看光谱,说,这太奇怪了。”好像苯在乙烷周围形成了一种不同寻常的有机晶体。受此结果的启发,研究小组开始尝试将土卫六上的其他物质的组合,看看会形成什么。

通过研究乙炔和丁烷(这两种化合物可能在土卫六上很常见)是如何混合和结晶的,研究人员发现了一种新“矿物”,这种矿物在土卫六上可能很丰富。这些相隔三分钟拍摄的显微镜图像显示了新发现的晶体形态是如何随时间变化的。

图片来源:MORGAN L. CABLE AND TUAN H. VU

在最新的研究中,研究小组将目光投向了两种可能在土卫六表面常见的物质:乙炔和丁烷。这两种化合物在常温常压下都是气体,因此他们将这二者泵入了一个小型冷冻室,那里装有一个冷冻的显微镜载玻片。遇到冷冻载玻片后,二者凝聚并最终重新排列,形成共晶。

还有一点令研究小组非常好奇:这种奇怪的物质在土卫六表面的温度和压力下有多稳定。答案是:相当稳定。他们试着把液态乙烷倒在晶体上,就像土卫六阵雨时可能发生的情况一样。这些共晶仍然坚强地保持着固态。

开启“蜻蜓”时代

华盛顿大学的Baptiste Journaux表示,这一发现代表着科学家对遥远星球的思考方式开始向更复杂的思维方式转变。Baptiste Journaux并非该研究小组的成员。

“如果不考虑地球的化学多样性和矿物多样性,你就无法了解地球,”他说道。“你不理解为什么会有山;为什么有火山;为什么会有不同类型的地壳;为什么会发生对流。”

其他行星和卫星也是如此。对地球上的我们来说,土卫六非常熟悉,它的环境非常复杂。沙丘在其赤道周围起伏。冰冷的“卵石”散落在平原上。湖泊和海洋在其表面纵横交错。湖边甚至可以形成泡沫。但土卫六的化学特性与地球截然不同,它有一系列有毒的有机化合物在环境中循环。

如果这种新发现的矿物真的存在于土卫六上,那么它在实验室的合成和改良可能有助于解释土卫六独特的物理特征是如何形成和进化的。更重要的是,地球上利用乙炔的微生物可以从这种有机化合物中获取能量。也许可能存在于土卫六上的这种矿物是外星微生物的浓缩食物来源——尽管关于土卫六上有外星生命的任何说法都只是猜测。Journaux警告称,一个环境仅仅看起来适合居住,并不意味着它确实有人居住。

“这项工作让我非常兴奋,这是很酷的发现,”瑞典查默斯理工大学(Chalmers University of Technology)理论化学助理教授Martin Rahm说道。“目前参与这一工作的人似乎很少,我认为还有很多共晶有待发现。”

随着美国宇航局(NASA)“蜻蜓”(Dragonfly)无人机的最终发射,研究人员很快就会了解更多。“蜻蜓”是一种双四轴飞行器,计划于2034年在土卫六表明着陆。与此同时,研究小组计划继续探索土卫六上相关化合物的混合物,也许会尝试更复杂的三种有机物质的结合。他们还想研究这些共晶的性质——甚至可能最终预测其他共晶何时会在外星形成。

“我们还没到那一步,”Cable说道。“现在,我们实验室主要在进行合成实验,把各种各样的物质混在一起,看看会发生什么,这太有趣了。”

(译者:陌上花开)

来源:国家地理中文网(官V)