马克斯·普朗克学会 示意图显示了灰尘颗粒(灰色)与冰分子(蓝色)的混合，以及促进深空化学处理的主要外部影响:热量、原子轰击、紫外线辐射和宇宙粒子流(宇宙射线)
学分:A
M
奎兹/ MPIA 马克斯·普朗克天文研究所和耶拿大学的天文学家已经获得了自然界微小的深空实验室的更清晰的视图:被冰覆盖的微小尘埃颗粒
这些颗粒不是被厚厚的冰覆盖的规则形状，而是蓬松的灰尘网络，带有薄冰层
特别是，这意味着尘粒有相当大的表面，这是大多数化学反应发生的地方
因此，这种新结构对天文学家对太空中有机化学的看法有着根本性的影响——也对可能对地球生命起源起重要作用的前生命分子的起源有着根本性的影响
在太空深处创造复杂的分子绝非易事
就目前所知，发生必要反应的自然实验室是带有冰表面的星际尘埃颗粒
现在，耶拿大学MPIA实验室天体物理小组的阿列克谢·波塔波夫和他的同事们的新实验结果表明，在现实条件下，冰层可能非常薄，以至于尘粒本身的表面结构起着重要的作用
这开辟了一个新的研究领域:那些对生命有机前体分子的宇宙起源感兴趣的人需要仔细观察宇宙尘埃颗粒表面的不同性质，它们与少量冰的相互作用，以及由此产生的复杂环境在帮助合成复杂有机分子中所起的作用
当我们思考生命和我们自己是如何来到这个宇宙的时候，有几个重要的步骤，包括物理、化学和生物学
据我们所知，我们最早的生物学起源故事发生在地球上，但无论是物理还是化学都不是这样:大多数化学元素，包括碳和氮，都是由恒星内部的核聚变产生的(“我们是恒星的东西”，正如卡尔·萨根的名言)
分子，包括形成氨基酸所必需的有机分子，或者我们自己的DNA，可以在星际介质中形成
在探测器成功直接分析宇宙尘埃的少数情况下，即“星尘”和“罗塞塔”任务，分析发现了复杂的分子，如简单的氨基酸甘氨酸
在行星系统的演化过程中，有机分子可以被陨石和早期彗星运送到行星表面
这些分子最初是如何在恒星之间几乎空无一物的空间中形成的，这根本不是一个简单的问题
在外层空间，大多数原子和分子是超薄气体的一部分，几乎没有任何相互作用——更不用说建立更复杂的有机分子所需的相互作用了
在20世纪60年代，对星际化学感兴趣的天文学家开始发展星际尘埃颗粒可以作为“星际实验室”的想法，这将促进更复杂的化学反应
这些颗粒，无论是碳基的还是硅酸盐基的，通常形成于冷恒星的外层或超新星爆炸后
在一团气体和尘埃中，不同种类的分子会粘在(冷的)颗粒上，分子会积累，最终会发生有趣的化学反应
具体来说，一个尘粒积累一层冰(主要是水冰，但也包括一氧化碳等其他分子)需要大约10万年
这层冰层将作为一个微小的宇宙化学实验室
对这个主题感兴趣的天文学家很快意识到他们需要实验来解释他们对星际气体云的观察
他们需要在地球上的实验室里研究被冰覆盖的尘埃颗粒及其与分子的相互作用
为此，他们将使用真空室，模拟空间的空旷，以及合适的温度
由于当时的假设是冰表面上的化学物质起作用，所以在这种实验中使用冰层成为了一种常见的做法，这种实验适用于普通表面，如溴化钾(KBr)晶体板或金属表面
但是，新的结果显示，这充其量只能是一部分情况
不同分辨率的人造宇宙尘埃颗粒的电子显微镜图像(左边是透射电子显微镜，右边是扫描电子显微镜)
两者都显示了复杂、错综复杂的颗粒表面结构，导致大的表面
信用:C
耶格尔/ MPIA和FSU·耶拿 行星的形成，以及对生命起源的探索，是马克斯·普朗克天文研究所(MPIA)的主要研究目标，而冰尘埃颗粒对这两者都起着重要的作用
这就是为什么自2003年以来，MPIA一直在耶拿弗里德里希·席勒大学固体物理研究所维持一个实验室天体物理学和集群物理学小组
该小组的部分设备是激光，可以用来制造人造宇宙尘埃颗粒
为此，一束激光对准一个石墨样本，从表面侵蚀(烧蚀)微小颗粒，只有几纳米宽(一纳米等于十亿分之一米)
当耶拿实验室天体物理小组的阿列克谢·波塔波夫(新论文的主要作者)和他的同事们研究这种人造尘埃颗粒，诱导不同种类的冰在它们的表面形成时，他们开始怀疑厚冰层表面化学的标准图像
不是像洋葱一样被几层固体冰(水冰或一氧化碳冰)完全覆盖的颗粒，他们在实验室产生的尘埃颗粒，尽可能接近现实的深空条件，被扩展成许多卷须状——蓬松的尘埃和冰网络
有了这种形状，它们的总表面积比更简单的形状大得多(几百倍)，这是计算分子云中检测到的水量如何覆盖一些颗粒的游戏规则的改变者:从表面积低的颗粒，因此完全被可用的水覆盖，我们到达了更大的表面，在一些地方会有更厚的层， 而在其他地方，只有一层冰晶——原因很简单，因为没有足够的水来覆盖由几层冰覆盖的巨大表面积
这种结构对冰尘埃颗粒作为微小的宇宙实验室的作用有着深远的影响
化学反应取决于粘附在表面的分子，以及这些分子如何移动(消散)、与其他分子相遇、反应、粘附或再次脱离
在新的、蓬松的、布满灰尘的宇宙实验室里，这些环境条件完全不同
波塔波夫说:“现在我们知道了尘埃粒子的重要性，一个新的玩家进入了太空化学游戏
知道新的玩家在那里，让我们有更好的机会了解基本的化学反应，这些反应在稍后的阶段可能会导致宇宙中生命的出现
" 此外，如果这些颗粒没有隐藏在厚厚的冰层下，而是可以与附着在表面的分子相互作用，它们就可以充当催化剂，仅仅通过它们的存在就可以改变化学反应的速度
突然间，像甲醛或某些氨化合物这样的有机分子形成的某些反应应该变得更加普遍
两者都是益生元分子的重要前体——所以这种焦点的改变将直接影响我们对地球生命的化学史前史的解释
合著者、MPIA导演托马斯·亨宁说:“这些是探索空间复杂分子形成的令人兴奋的新方向
接下来，MPIA刚刚开设了新的“生命起源”实验室，专门针对这种新型研究
" 更一般地说，新的结果，连同以前实验中获得的许多类似结果，给天体化学界敲响了警钟:如果你想了解星际介质中的天体化学，以及它对生命起源的影响，远离冰冷的洋葱
接受灰尘表面的角色
拥抱自然界微小的宇宙实验室可能存在的混乱
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