美國(guó)宇航局卡西尼號(hào)宇宙飛船（Cassini spacecraft）傳回的這張近紅外多彩鑲嵌圖像顯示，土衛(wèi)六的北極海域陽(yáng)光閃爍。地球目前正在進(jìn)行的研究表明，當(dāng)這些液態(tài)碳?xì)浠衔飿?gòu)成的寒冷海洋蒸發(fā)時(shí)，它們可能會(huì)留下微小的有機(jī)化合物混合物結(jié)晶顆粒。
Morgan Cable對(duì)外星環(huán)境進(jìn)行了微縮。她可以攪動(dòng)一個(gè)烈酒杯般大小的湖泊，釋放柔和噴灑的雨水，激發(fā)出其他奇景來模擬土衛(wèi)六的奇異表面。在這個(gè)遙遠(yuǎn)的世界里，氣溫會(huì)驟降至零下數(shù)百攝氏度，液態(tài)甲烷和乙烷形成的河流瞬間凝固，山谷也變成了冰封的水冰奇觀。
“在某種程度上講，我們可以在實(shí)驗(yàn)室里觸摸到土衛(wèi)六——盡管它離我們有十幾億公里遠(yuǎn)，”Cable說道，她是美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室天體生物學(xué)和海洋世界組（Astrobiology and Oceans Worlds Group）的科學(xué)家。
多年來，他們一直致力于研究這些微型星球，而他們最新的“土衛(wèi)六”微型復(fù)制品引發(fā)了全球關(guān)注：將乙炔和丁烷以一種新奇的方式混合后，他們創(chuàng)造出了一種新的“礦物”。這種新物質(zhì)并不完全符合地球上常見礦物的定義，因?yàn)楝F(xiàn)在仍需要確認(rèn)它可以在自然界中形成。學(xué)術(shù)上稱其為共晶（co-crystal）。
科學(xué)家們?cè)凇睹绹?guó)化學(xué)學(xué)會(huì)地球與空間化學(xué)》雜志上發(fā)表的報(bào)告稱，這種奇怪的物質(zhì)很可能無法在地球上自然形成，但在土衛(wèi)六富含碳?xì)浠衔锏谋砻婵赡軙?huì)大量存在。如果確實(shí)如此，這將為研究土衛(wèi)六的演化和環(huán)境提供新的方法——比如它可能擁有地球上從未見過的生命。(例如，其他科學(xué)家最近在土衛(wèi)六上發(fā)現(xiàn)了以乙烯為基礎(chǔ)的生命。)
“我們希望它能帶來一些有趣的發(fā)現(xiàn)，”Cable說道。
發(fā)現(xiàn)珍寶
幾年前，Cable和同事們讀到過土衛(wèi)六碳?xì)浠衔锖車钠嫣貥?gòu)造的新聞。美國(guó)宇航局(NASA)卡西尼號(hào)探測(cè)器(Cassini)收集到的數(shù)據(jù)表明，隨著湖泊干涸，一種神秘的物質(zhì)被遺留下來，就像浴缸排水后殘留的泡沫環(huán)。研究小組想知道，這些殘留物是由什么構(gòu)成的?
當(dāng)他們開始對(duì)若干可能性感到困惑時(shí)，研究人員意識(shí)到，在土衛(wèi)六的液態(tài)甲烷和乙烷湖中，它應(yīng)該是最不易溶解的物質(zhì)。所以，他們將目標(biāo)鎖定為苯和乙烷。研究人員推斷，如果湖中的一些液體蒸發(fā)掉，苯將會(huì)是首個(gè)遺留下來的物質(zhì)。
這些化合物的混合物在實(shí)驗(yàn)室中確實(shí)形成了晶體。為了進(jìn)一步了解它們，研究小組用激光照射晶體，記錄散射回來的光譜并進(jìn)行分析，這種方法稱為拉曼光譜分析法，它可以揭示分子間的相互作用及其化學(xué)鍵的性質(zhì)等信息。
Cable回憶道:“我的一個(gè)同事看了看光譜，說，這太奇怪了。”好像苯在乙烷周圍形成了一種不同尋常的有機(jī)晶體。受此結(jié)果的啟發(fā)，研究小組開始嘗試將土衛(wèi)六上的其他物質(zhì)的組合，看看會(huì)形成什么。
通過研究乙炔和丁烷（這兩種化合物可能在土衛(wèi)六上很常見）是如何混合和結(jié)晶的，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新“礦物”，這種礦物在土衛(wèi)六上可能很豐富。這些相隔三分鐘拍攝的顯微鏡圖像顯示了新發(fā)現(xiàn)的晶體形態(tài)是如何隨時(shí)間變化的。
圖片來源：MORGAN L. CABLE AND TUAN H. VU
在最新的研究中，研究小組將目光投向了兩種可能在土衛(wèi)六表面常見的物質(zhì):乙炔和丁烷。這兩種化合物在常溫常壓下都是氣體，因此他們將這二者泵入了一個(gè)小型冷凍室，那里裝有一個(gè)冷凍的顯微鏡載玻片。遇到冷凍載玻片后，二者凝聚并最終重新排列，形成共晶。
還有一點(diǎn)令研究小組非常好奇：這種奇怪的物質(zhì)在土衛(wèi)六表面的溫度和壓力下有多穩(wěn)定。答案是:相當(dāng)穩(wěn)定。他們?cè)囍岩簯B(tài)乙烷倒在晶體上，就像土衛(wèi)六陣雨時(shí)可能發(fā)生的情況一樣。這些共晶仍然堅(jiān)強(qiáng)地保持著固態(tài)。
開啟“蜻蜓”時(shí)代
華盛頓大學(xué)的Baptiste Journaux表示，這一發(fā)現(xiàn)代表著科學(xué)家對(duì)遙遠(yuǎn)星球的思考方式開始向更復(fù)雜的思維方式轉(zhuǎn)變。Baptiste Journaux并非該研究小組的成員。
“如果不考慮地球的化學(xué)多樣性和礦物多樣性，你就無法了解地球，”他說道。“你不理解為什么會(huì)有山；為什么有火山；為什么會(huì)有不同類型的地殼；為什么會(huì)發(fā)生對(duì)流?！?/p>
其他行星和衛(wèi)星也是如此。對(duì)地球上的我們來說，土衛(wèi)六非常熟悉，它的環(huán)境非常復(fù)雜。沙丘在其赤道周圍起伏。冰冷的“卵石”散落在平原上。湖泊和海洋在其表面縱橫交錯(cuò)。湖邊甚至可以形成泡沫。但土衛(wèi)六的化學(xué)特性與地球截然不同，它有一系列有毒的有機(jī)化合物在環(huán)境中循環(huán)。
如果這種新發(fā)現(xiàn)的礦物真的存在于土衛(wèi)六上，那么它在實(shí)驗(yàn)室的合成和改良可能有助于解釋土衛(wèi)六獨(dú)特的物理特征是如何形成和進(jìn)化的。更重要的是，地球上利用乙炔的微生物可以從這種有機(jī)化合物中獲取能量。也許可能存在于土衛(wèi)六上的這種礦物是外星微生物的濃縮食物來源——盡管關(guān)于土衛(wèi)六上有外星生命的任何說法都只是猜測(cè)。Journaux警告稱，一個(gè)環(huán)境僅僅看起來適合居住，并不意味著它確實(shí)有人居住。
“這項(xiàng)工作讓我非常興奮，這是很酷的發(fā)現(xiàn)，”瑞典查默斯理工大學(xué)(Chalmers University of Technology)理論化學(xué)助理教授Martin Rahm說道?！澳壳皡⑴c這一工作的人似乎很少，我認(rèn)為還有很多共晶有待發(fā)現(xiàn)?！?/p>
隨著美國(guó)宇航局(NASA)“蜻蜓”(Dragonfly)無人機(jī)的最終發(fā)射，研究人員很快就會(huì)了解更多?！膀唑选笔且环N雙四軸飛行器，計(jì)劃于2034年在土衛(wèi)六表明著陸。與此同時(shí)，研究小組計(jì)劃繼續(xù)探索土衛(wèi)六上相關(guān)化合物的混合物，也許會(huì)嘗試更復(fù)雜的三種有機(jī)物質(zhì)的結(jié)合。他們還想研究這些共晶的性質(zhì)——甚至可能最終預(yù)測(cè)其他共晶何時(shí)會(huì)在外星形成。
“我們還沒到那一步，”Cable說道?！艾F(xiàn)在，我們實(shí)驗(yàn)室主要在進(jìn)行合成實(shí)驗(yàn)，把各種各樣的物質(zhì)混在一起，看看會(huì)發(fā)生什么，這太有趣了?！?/p>
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