美国宇航局在泰坦的大气层中发现“非常古怪”的分子

土星卫星土卫六的这些红外图像代表了冰冷月球表面的一些最清晰的全局视图。这些视图是使用NASA卡西尼号航天器上的视觉和红外测绘光谱仪仪器获得的13年数据创建的。

NASA科学家发现了泰坦大气中的一种分子，该分子在其他任何大气层中都从未发现过。实际上，许多化学家可能几乎没有听说过它或不知道如何发音：环丙烯基或C3H2。科学家说，这种简单的碳基分子可能是更复杂的化合物的先驱，这些化合物可以在土卫六上形成或提供可能的生命。

这张图片是2005年1月14日由欧洲航天局的惠更斯号探测器在成功降落到土卫六表面时返回的。这是经过处理的彩色视图，用于添加反射光谱数据，以更好地指示土卫六表面的实际颜色。

研究人员使用智利北部称为阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列（ALMA）的射电望远镜观测站发现了C3H2。他们注意到了由碳和氢制成的C3H2，同时筛选了望远镜收集到的一系列独特的光信号。这些都揭示了泰坦大气中分子发射或吸收的能量的化学组成。

“当我意识到我正在看环丙烯基时，我首先想到的是'嗯，这真的是出乎意料的，”美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心的行星科学家Conor Nixon说，他领导了ALMA搜索。他的小组的研究结果于2020年10月15日发表在《天文杂志》上。

尽管科学家在整个星系的口袋中发现了C3H2，但在大气中发现它却是一个惊喜。那是因为环丙烯基可以很容易地与它接触并形成不同物种的其他分子反应。迄今为止，天文学家仅在漂浮在恒星系统之间的气体和尘埃云中发现了C3H2，换言之，该区域太冷，太扩散而无法促进许多化学反应。

但是像泰坦这样的密集大气却是化学活动的巢穴。这是科学家对月球感兴趣的主要原因，而月球正是美国宇航局即将进行的蜻蜓任务的目的地。尼克松的团队之所以能够在土卫六发现少量的C3H2，是因为他们正在寻找月球大气层的上层，那里与C3H2发生相互作用的其他气体较少。科学家们还不知道为什么环丙烯亚基会出现在土卫六的大气层中，而没有其他大气层出现。尼克松说：“钛在我们的太阳系中是独一无二的。”“事实证明，它是新分子的宝库。”

土卫六是土星62颗卫星中最大的一颗，在某些方面与我们发现的地球最相似，这是一个引人入胜的世界。与太阳系中的任何其他月亮不同（有200多个），土卫六的大气层密度是地球的四倍，此外还有云层，雨水，湖泊和河流，甚至还有咸海水。

土卫六的大气层主要是由氮组成，就像地球一样，还有一点甲烷。当甲烷和氮分子在太阳的强光下分解时，它们的组成原子释放出复杂的有机化学网，这吸引了科学家，并使该月球成为NASA寻找现在或过去最重要目标清单的顶部生活在太阳系中。

美国加利福尼亚州帕萨迪纳市NASA喷气推进实验室（JPL）的高级研究科学家兼泰坦专家罗莎莉·洛佩斯（Rosaly Lopes）说：“我们正在努力探究泰坦是否适宜居住。”“因此，我们想知道大气中有哪些化合物到达地面，然后，该物质是否可以通过冰壳到达下方的海洋，因为我们认为海洋是可居住条件所在的地方。”

可能位于土卫六表面的分子类型可能与构成地球生命构成要素的分子类型相同。科学家们怀疑，在其历史的早期，即3.8到25亿年前，当甲烷充满地球的空气而不是氧气时，这里的情况可能与今天的泰坦类似。

美国国家航空航天局戈达德天体生物学家梅利莎·特纳（Melissa Trainer）说：“我们认为泰坦是一个真实的实验室，在这里生活时，我们可以看到与古代地球相似的化学物质。”培训师是蜻蜓任务的副首席研究员，也是蜻蜓旋翼机上仪器的负责人，该仪器将分析土卫六表面的成分。

“我们将寻找比C3H2大的分子，” Trainer说，“但我们需要知道大气中正在发生什么，以了解导致复杂有机分子形成并下到表面的化学反应。

蜻蜓是NASA的一项任务，旨在探索土星最大的卫星泰坦的化学性质和可居住性。

迄今为止，环苯丙烯是除泰坦大气之外唯一发现的其他“环状”或闭环分子。尽管目前尚不知道C3H2可用于现代生物反应，但像C3H2这样的闭环分子却很重要，因为它们形成了DNA核碱基，携带生命遗传密码的复杂化学结构以及RNA的骨架环。生活功能的另一个重要组成部分。“它们的循环特性打开了化学的这一额外分支，使您能够构建这些生物学上重要的分子，”与尼克松合作找到C3H2的戈达德天体生物学家Alexander Thelen说。

塞伦（Thelen）和尼克松（Nixon）等科学家正在使用大型且高度敏感的地球望远镜寻找在泰坦大气中可以找到的与生命有关的最简单的碳分子。苯被认为是在任何行星大气中发现的复杂的，环状的碳氢化合物分子的最小单元。但是现在，含苯碳原子一半的C3H2似乎已经取代了它。

尼克松的团队使用ALMA天文台在2016年与Titan同行。他们惊讶地发现一个奇怪的化学指纹，尼克松通过搜索所有已知分子光特征的数据库将其识别为环丙烯基。

到目前为止，只有在气体和尘埃分子云中才检测到环丙烯基，例如金牛座分子云，这是距金牛座星座超过400光年的恒星育苗场。最近，美国宇航局戈达德科学家科诺尔·尼克松（Conor Nixon）及其团队在泰坦大气层中发现了这种独特的分子。第一次在分子云之外检测到它。除苯以外，在泰坦还发现了环丙烯烯是唯一的其他闭环分子。闭环分子之所以重要，是因为它们形成了DNA核碱基的骨架环，DNA的复杂化学结构承载着生命的遗传密码，而RNA则是另一种对生命功能至关重要的化合物。

为了再次确认研究人员确实看到了这种不寻常的化合物，尼克松仔细研究了美国宇航局卡西尼号航天器数据的分析发表的研究论文，该航天器在2004年至2017年之间共进行了127次泰坦近距离飞越。他想看看航天器上探测到土星和土卫六周围化合物的仪器是否可以证实他的新结果。（该仪器-被称为质谱仪-收集了泰坦分子许多神秘分子的痕迹，科学家们仍在设法识别这些分子。）实际上，卡西尼号已经发现了同一分子C3H3 +的带电形式的证据。

鉴于这是一个罕见的发现，科学家们正在尝试更多地了解环丙烯，以及它如何与土卫六大气中的气体相互作用。

JPL行星科学家Michael Malaska说：“这是一个非常奇怪的小分子，所以它不会像您在高中化学甚至本科化学中学到的那样。”学习它的职业。“在地球上，这不会是您将要遇到的东西。”

但是，马拉斯卡说，发现类似C3H2的分子对于了解泰坦的全景非常重要：“您可以发现的每个小片段和小片段都可以帮助您将发生的所有事情汇总成一个巨大的谜题。”

参考：Conor A. Nixon，Alexander E. Thelen，Martin A. Cordiner，Zbigniew Kisiel，Steven B. Charnley，Edward M. Molter，Joseph Serigano，Patrick GJ Irwin，Nicholas A. Teanby和关宜静，2020年10月15日，天文杂志.DOI：
10.3847 / 1538-3881 / abb679