土卫六的再造粒子可以帮助我们了解地球上生命是如何开始的

在地球之外，科学界的普遍共识是，寻找外星生命证据的最佳地点是火星。然而，它绝不是唯一的地方，除了许多被指定为”可能适合居住”的太阳系外，太阳系中还有很多其他候选行星。

其中包括许多冰冷的卫星，这些卫星被认为有内部海洋，可以容纳生命，其中土卫六是土星最大的卫星，其大气层和表面之间有各种有机化学成分。一段时间以来，科学家们一直怀疑，对土卫六大气层的研究可能为地球上生命进化的早期阶段提供重要的线索。

由于由科技巨头IBM领导的新研究，一个研究小组在实验室里成功地重建了土卫六的大气条件，他们的研究发表在一篇题为《原子尺度上成像泰坦的有机阴霾》的论文中，该论文最近发表在2月12日出版的《天体物理学杂志快报》上。

研究小组由法比安·舒尔茨博士和朱利安·梅拉德博士领导，包括来自IBM研究-苏黎世、巴黎-萨克莱大学、鲁昂大学圣艾尼昂分校和马克斯·普朗克学会弗里茨·哈伯研究所的许多同事。

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艺术家对土星卫星土卫六湖的概念。（美国宇航局/JPL-加州理工学院）

我们今天对土卫六的了解很大程度上要归功于卡西尼号宇宙飞船，它于2004年至2017年绕土星运行，并通过潜入土星大气层完成了任务。

在此期间，卡西尼号对土卫六的大气层进行了多次直接测量，揭示了一个令人惊讶的类似地球的环境。基本上，土卫六是太阳系中唯一有稠密氮气和有机过程的天体。

特别有趣的是，科学家认为大约28亿年前，地球的大气层可能相似。这与中亚时代相吻合，光合作用蓝藻创造了第一个珊瑚礁系统，并缓慢地将地球大气中的二氧化碳转化为氧气（最终导致其目前的氮和氧平衡）。

虽然土卫六的表面被认为有线索可以改善我们对太阳系中生命如何出现的理解，但要清楚地看到这个表面一直是个问题，其原因与土卫六的大气层有关，土卫六的大气层被散射光的浓密光化学雾霾所弥漫。正如利奥·格罗斯和娜塔莉·卡拉斯科（这项研究的合著者）在最近发表在IBM研究博客上的一篇文章中解释的那样：

“泰坦的雾霾由纳米粒子组成，这些纳米粒子由各种含有碳、氢和氮的庞大而复杂的有机分子组成。当（紫外线和宇宙）辐射击中土卫六等大气中的甲烷、氮气和其他气体的混合物时，这些分子形成成一系列化学反应。

因此，对于驱动土卫六大气层的过程，科学家们仍然知之甚多，其中包括构成这种雾霾的大分子的确切化学结构，几十年来，天体化学家一直在用类似的有机分子进行实验室实验，这种有机分子被称为”tholins”，这个术语源自希腊语中的”泥泞”（或”朦胧”）。

Tholins 是指暴露在太阳紫外线或宇宙射线下时形成的各种有机含碳化合物，这些分子在太阳系外很常见，通常存在于结冰的天体中，其表面层含有暴露在辐射下的甲烷冰。它们的存在是由具有红润外观的表面表示的，或者像它们有棕褐色污渍一样。

为了他们的研究，舒尔茨和梅拉德领导的研究小组进行了一项实验，他们在实验室环境中观察了不同形成阶段的索林。正如格罗斯和卡拉斯科所解释的：

“我们用甲烷和氮气混合淹没了一艘不锈钢容器，然后通过放电触发化学反应，从而模拟了土卫六大气中的情况。然后，我们在苏黎世的实验室中分析了100多个组成土卫六的分子，用我们自制的低温原子力显微镜获得了其中大约十几个的原子分辨率图像。

美国宇航局的卡西尼号宇宙飞船向土星最大卫星的夜边望去。（美国宇航局/JPL-加州理工学院/空间科学研究所）

通过解析不同大小的分子，研究小组可以瞥见这些雾霾分子生长的不同阶段，以及它们的化学成分，从本质上讲，他们观察到土卫六大气中的一个关键成分，因为它的形成和积累，以创造泰坦著名的朦胧效应。美国宇航局戈达德航天飞行中心的研究员康纳·尼克松说：

“本文展示了利用原子尺度显微镜研究复杂多环有机分子结构的开创性新工作。使用质谱等技术对实验室生成的化合物进行典型分析，可以揭示各种元素的相对比例，而不是化学结合和结构。

“在这里，我们第一次看到合成化合物的分子结构，类似于那些被认为会导致土卫六大气橙色雾霾的化合物。这一应用现在为天体生物材料的样品分析提供了令人兴奋的新工具，包括陨石和从行星体返回的样品，更重要的是，他们的研究结果也可能揭示泰坦神秘的甲烷水文循环。在地球上，这个循环包括气体状态（水蒸气）和液态（雨水和地表水）之间的水转换。

在土卫六上，甲烷也发生同样的循环，甲烷从大气中的甲烷气体过渡，并像甲烷雨一样落下，形成土卫六著名的碳氢化合物湖，在这种情况下，研究小组的研究结果可以揭示化学雾霾在土卫六甲烷循环中的作用，包括这些纳米粒子能否漂浮在土卫六的甲烷湖上。

此外，这些发现可以揭示出类似的大气气溶胶是否帮助了数十亿年前地球上的生命出现。

格罗斯和卡拉斯科描述道：”我们现在所成像的分子结构是众所周知的紫外线吸收剂。”这反过来又意味着雾霾可能起到了保护地球表面DNA分子免受破坏性辐射的作用。

The PAMPRE device that recreated Titan’s haze particles.再现泰坦雾霾颗粒的潘普瑞装置。（娜塔莉·卡拉斯科/弗利克尔/CC BY-ND 2.0)

如果这个理论是正确的，研究小组的发现不仅可以帮助科学家了解地球上生命出现的条件，而且他们还可以指出土卫六上生命可能存在的状况，这颗卫星的神秘性质是科学家在20世纪80年代初首次意识到的，当时旅行者1号和2号太空探测器都飞越了土星系统。从那时起，科学家们就拼凑起来了。

到2030年代，美国宇航局计划向土卫六派遣一艘名为”龙飞”的机器人旋翼飞船，以探索其表面和大气层，并寻找可能的生命迹象，与往常一样，在此期间进行的理论工作和实验室实验将使科学家能够缩小重点，增加任务（一旦到达）找到它所寻找的的可能性。

本文最初由《今日宇宙》出版。阅读原始文章。

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