來，教你造一罐泰坦星的大氣_風聞

　　作者：Matt Williams

　　翻譯：張宇辰

　　校對：王婧彧 王茸 張硯斌 楊伯順

　　審閲：牧夫校對組

　　美編：徐⑨坤

　　後台：庫特莉亞芙卡 李子琦 徐⑨坤 胡永葳

　　科學界普遍認為，除了地球之外，火星是尋找外星生命證據的最佳地點。然而火星也絕不是唯一的可能。除了許多的系外行星被指定為“潛在的宜居行星”，在我們的太陽系中,還有許多其他的候選星球。其中包括許多冰凍衞星,它們被認為可能存在能孕育生命的內部海洋。

　　這些冰凍星球中就包括土衞六（Titan，又稱為泰坦），土星最大的衞星，它的大氣層和地面之間發生着各種有機化學反應。一段時間以來,科學家們一直懷疑，對土衞六大氣層的研究,可能會為地球生命進化的早期階段提供重要線索。多虧了科技巨頭IBM領導的一項新研究，一組研究人員成功地在實驗室裏重現了土衞六上的大氣環境。

　　這張概念圖描繪了一片位於土星衞星泰坦北極的湖泊，展示了凸起的邊緣和壁壘狀的特徵，就像美國宇航局的卡西尼號宇宙飛船在土衞六温尼伯湖周圍所看到的那樣。

　　Credit：NASA/JPL-Caltech

　　今天我們對土衞六的瞭解，很大程度上要歸功於卡西尼號(Cassini)宇宙飛船。卡西尼號於2004至2017年環繞土星飛行，最後潛入土星大氣層完成了任務。在此期間，卡西尼號對土衞六的大氣層進行了多次直接測量，揭示了一個與地球驚人相似的環境。基本上，土衞六是太陽系中除地球外唯一的一個擁有高密度氮大氣層和發生有機過程的星體。

　　特別有趣的是，科學家們相信，大約28億年前，地球的大氣層可能與此類似。這與中太古代相吻合，在這個時期，能光合作用的藍藻細菌創造了第一個珊瑚礁系統，並緩慢地將地球大氣中的二氧化碳轉化為氧氣(最終導致了目前的氮和氧平衡)。

　　雖然土衞六的表面被認為藴藏着一些線索，可以幫助我們更好地理解生命是如何在太陽系中出現的，但如何清楚地觀察它的表面一直是個問題。其原因與土衞六的大氣層有關，大氣層中瀰漫着一層濃密的光化學霧霾，使光線散射。正如Leo Gross和Nathalie Carrasco(該研究的共同作者)最近在IBM Research Blog的一篇文章中所解釋的那樣:

　　“土衞六的霧霾由納米顆粒組成，這些納米顆粒由各種各樣大型複雜的有機分子組成，其中包含碳、氫和氮。當（紫外線和宇宙）輻射擊中像土衞六這樣的大氣中甲烷、氮氣和其他氣體的混合物時，這些分子會發生一連串的化學反應。

　　這個名為PAMPRE的實驗模擬了土衞六的大氣層。

　　Credit：Nathalie Carrasco

　　因此，對於土衞六大氣層中化學過程的驅動力，科學家們仍有很多不瞭解的地方，其中包括構成這層薄霧霾的大分子的確切化學結構。幾十年來，天體化學家們一直在實驗室裏用類似的有機分子進行實驗，這些有機分子被稱為“tholins”，這個詞來源於希臘單詞“泥濘”或“模糊的”。

　　Tholins是在太陽紫外線或宇宙射線照射下形成的各種有機含碳化合物。這些分子在太陽系外很常見，通常存在於冰體中，這些冰體的表層含有暴露在輻射中的甲烷冰。我們可以根據其淡紅色的表面或黃褐色的污點發現它。

　　為了進行研究，Schulz和Maillard領導的團隊進行了一項實驗，他們在實驗室環境中觀察了不同形成階段的tholins。正如Gross和Carrasco所解釋的:

　　“我們向一個不鏽鋼容器中注入甲烷和氮的混合物，然後通過放電觸發化學反應，從而模擬土衞六的大氣層中的情況。然後，我們在蘇黎世的實驗室分析了100多個組成泰坦tholins的分子，用我們自制的低温原子力顯微鏡，獲得了其中大約12個分子的原子分辨率圖像。”

　　NASA的卡西尼號宇宙飛船向土衞六的夜半球望去，看到陽光通過其大氣層的外圍散射，形成了一個彩色光環。

　　Credit：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

　　通過分解不同大小的分子，研究小組得以窺見這些霧氣分子形成的不同階段以及它們的化學組成。實質上，他們觀察到了土衞六大氣層中的一個關鍵成分，正是因為它的形成和積累，造成了土衞六著名的朦朧效應。NASA戈達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)研究員Conor a . Nixon説:

　　“這篇論文顯示了在使用原子級顯微鏡來研究複雜、多環有機分子結構方面的突破性新工作。利用質譜等技術對實驗室生成的化合物進行典型分析，可以揭示各種元素的相對比例，但不能揭示化學鍵和結構。”

　　“這是我們第一次看到合成化合物的分子結構，它們與那些被認為導致土衞六大氣層橙色霧氣的分子結構相似。現在這項應用提供了一個令人興奮的新工具，用於天體生物材料的樣本分析，包括隕石和從行星上返回的樣本。”

　　更重要的是，他們的研究結果也可能揭示了土衞六以甲烷為基礎的神秘液體循環。在地球上，這個循環是由水在氣態(水蒸汽)和液態(雨水和地表水)之間的轉變組成的。而在土衞六上，同樣的循環發生在甲烷上，甲烷從大氣中的甲烷氣體轉變成甲烷雨，形成土衞六著名的碳氫化合物湖。

　　在未來，一種八翼無人機（又名“蜻蜓”）將非常適合在未來幾十年裏探測土衞六。

　　Credt：APL/Michael Carroll

　　在這種情況下，研究小組的結果可能揭示化學霧氣在土衞六的甲烷循環中扮演的角色，包括這些納米顆粒是否可以漂浮在其甲烷湖上。此外，這些發現可以揭示數十億年前，類似的大氣溶膠是否曾經幫助地球上出現了生命。

　　Gross和Carrasco描述説:“我們現在拍攝的分子結構，已知是很好的紫外線吸收劑。這也就意味着，霧霾可能起到了屏障作用，保護早期地球表面DNA分子免受破壞性輻射的破壞。”

　　如果這個理論是正確的，研究小組的發現將不僅有助於科學家瞭解地球上出現生命的條件，他們還可能指出土衞六上可能存在生命。這顆衞星的神秘性質是科學家們在20世紀80年代初首次意識到的，當時旅行者1號和2號太空探測器都飛越了土星系統。

　　到二十世紀30年代，NASA計劃向土衞六發射一架名為“蜻蜓”(Dragonfly)的機器人旋翼飛機，以探索土衞六的表面和大氣層，並尋找可能的生命跡象。與往常一樣，在此期間進行的理論工作和實驗室實驗，將使科學家們縮小關注的焦點，增加探測器(一旦到達)找到它所尋找的目標的幾率。

　　原文鏈接：

　　https://www.universetoday.com/150181/titans-atmosphere-recreated-in-an-earth-laboratory/

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