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科学家在地球合成“外星矿物” 帮助了解土卫六泰坦的奇特地表上到底有些什么?

我们可以从美国航天总署(NASA)卡西尼号(Cassini)宇宙飞船传回的这张近红外波段彩色拼接影像中,看到泰坦的北极海域闪烁着阳光。 根据目前地球上正在进行的

我们可以从美国航天总署(NASA)卡西尼号(Cassini)宇宙飞船传回的这张近红外波段彩色拼接影像中,看到泰坦的北极海域闪烁着阳光。 根据目前地球上正在进行的研究显示,当这些由液态碳氢化合物构成的寒冷海洋蒸发时,可能会留下不寻常的微小有机化合物混合结晶颗粒。 IMAGE BY NASA/JPL-CALTECH/UNIVERSITY OF ARIZONA/UNIVERSITY OF IDAHO

研究人员研究乙炔和丁烷这两种在泰坦上可能很常见的化合物如何混合和结晶,因而发现了一种先前未知、但在泰坦上可能含量相当丰富的「矿物」。 我们可以从这两张相隔三分钟

研究人员研究乙炔和丁烷这两种在泰坦上可能很常见的化合物如何混合和结晶,因而发现了一种先前未知、但在泰坦上可能含量相当丰富的「矿物」。 我们可以从这两张相隔三分钟拍摄的显微镜影像看到,新发现的晶体形态如何随时间变化。 IMAGE BY MORGAN L. CABLE AND TUAN H. VU

(神秘的地球uux.cn报道)据美国国家地理(撰文:MAYA WEI-HAAS 编译:邱彦纶):科学家在地球合成「外星矿物」!这项新发现能帮助科学家了解土卫六泰坦(Titan)的奇特地表上到底有些什么?

摩根. 凯伯(Morgan Cable)在实验室里创造了一个外星世界的微小缩影。 她可以搅动一个烈酒杯大小的湖泊,释放柔和喷洒的雨水,激发出其他奇景,以仿真泰坦的奇特地表。 在这个遥远的星球上,气温会骤降至摄氏零下几百度,液态甲烷和乙烷形成的河流瞬间凝固,让峡谷变成了冰封的水冰奇观。

美国航天总署喷射推进实验室(Jet Propulsion Laboratory)天文生物学和海洋星球组 (Astrobiology and Oceans Worlds Group)的科学家凯伯表示:「以某种程度来说, 我们可以在实验室里触摸到泰坦——尽管它离我们有十几亿公里远。 」

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多年来,他们一直致力于研究这样的微缩世界,而他们最新的泰坦迷你世界引发了全球的关注:他们将乙炔和丁烷以一种新奇的方式混合后,竟创造出了一种全新的「矿物」。 这种新物质并不完全符合地球上常见的「矿物」定义,因为还需要确认它可以在自然界中形成。 目前,我们先在技术上将其称为「共晶体」(co-crystal)。

科学家在《美国化学学会地球与太空化学》(ACS Earth and Space Chemistry)期刊上发表的报告表示,这种奇怪的物质很可能无法在地球上自然形成,但或许会大量存在富含碳氢化合物的泰坦表面上。 如果确实如此,这项发现将为研究泰坦演化和可能拥有地球未曾见过生命的环境提供新方法。 举例来说,最近就有其他科学家在泰坦上发现了可能以乙烯为基础的生命组成原料。

凯伯提到这个实验时表示:「我们祈求它能带来一些有趣的发现。 」

发现珍宝

在几年前,凯伯和同事读到泰坦碳氢化合物湖泊周围奇特构造的新闻。 美国航天总署前往土星的卡西尼号(Cassini)任务数据显示,在湖泊干涸之后,有种神秘的物质被遗留下来,就像是浴缸的水流尽之后所留的水垢环。 研究团队想知道,这些残留物是由什么构成的?

当研究人员开始怀疑各种可能性时,他们意识到──这些残留物应该会是泰坦液态甲烷和乙烷湖泊中最不易溶解的物质。 所以他们将目标锁定为苯和乙烷,这两种物质就像油和水一样互不混合。 研究人员推断,如果湖泊中有些液体蒸发了,那么苯会是最先遗留下来的物质。

在实验室中,这些混合的化合物确实形成了结晶。 为了进一步了解这些晶体,研究团队利用雷射照射晶体,记录散射回的光谱并进行分析,这种称为拉曼光谱分析法(Raman spectroscopy)的方法,可以揭露分子间交互作用和化学键性质等信息。

凯伯回忆道:「我的一位同事看了光谱之后,说这太奇怪了。 」看起来苯好像在乙烷周围形成了一种不寻常的有机晶体。 研究团队受到这个结果的启发,开始尝试其他泰坦上的物质组合,看看会形成什么样的东西。

在最新的研究中,研究团队将注意力转向了两种在泰坦表面可能的常见物质:乙炔和丁烷。 这两种化合物在常温常压下都呈现气体状态,因此他们将这二者灌入小型的冷冻室内,气体在此处接触到冷冻的显微镜载玻片后,会凝结并重新排列,最后形成这种新发现的共晶物质。

研究团队也相当好奇,如果是在泰坦表面的温度和压力条件之下,这种奇怪的物质会有多稳定? 答案是:相当稳定。 他们试着把液态的乙烷倒在晶体上,这就像泰坦表面下起阵雨时可能发生的情况,这些共晶仍然顽强地维持固态。

开启「蜻蜓」时代

并未参与此研究的华盛顿大学(University of Washington)巴普蒂斯特. 约和诺(Baptiste Journaux)表示,这个发现代表科学家对遥远星球的思考方式,已经转变得更为复杂。

「如果不考虑地球的化学多样性和矿物多样性,我们是无法了解地球的,」他说道。 「你不会理解为什么会有山、为什么有火山、为什么会有不同类型的地壳、又为什么会发生对流。 」

其他的行星和卫星也是如此。 对地球上的我们来说,泰坦的环境非常复杂,因此看起诡异地熟悉。 沙丘在卫星的赤道附近起伏,冰冻的「卵石」散落在平原上,湖泊和海洋在表面开展,湖边甚至可以形成泡沫。 但泰坦的化学特性与地球截然不同,有许多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泰坦上,那么它能够在实验室内合成和操作的这种特性,可能有助于解释泰坦独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从这种有机化合物中获取能量。 可能存在于泰坦上的这种矿物,或许会是外星微生物的浓缩食物来源——虽然目前有关泰坦上有外星生命的任何说法,都还仅只于猜测。 也在美国航天总署天文生物学研究所(NASA Astrobiology Institute)任职的约和诺警告,我们不能因为某个环境看起来适合生命生存,就说此处有生物存在。

「这项工作让我非常兴奋,这是很酷的发现,」瑞典查尔姆斯理工大学(Chalmers University of Technology)的理论化学助理教授马丁. 拉姆(Martin Rahm)表示,「目前参与这类工作的人似乎很少,我认为还有很多种共晶等着我们去发现。 」

随着美国航天总署 「蜻蜓号」(Dragonfly)任务的最终发射,研究人员很快就会了解更多关于泰坦的奥秘。 「蜻蜓号」是架双四轴飞行器,预定于2034年登陆泰坦表面。 在此同时,研究团队计划继续探索泰坦上化合物的混合物,也许会尝试三种有机物质的更复杂组合。 他们也想要研究这些奇特共晶的性质——甚至最后可能是预测其他共晶何时会在真正的外星世界中形成。

「我们还没到那一步,」凯伯表示,「现在,我们实验室主要是把各种不同的物质混在一起,看看会发生什么事,这太有趣了。 」




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