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土卫六|来，教你造一罐泰坦星的大气

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科学界普遍认为 ， 除了地球之外 ， 火星是寻找外星生命证据的最佳地点 。 然而火星也绝不是唯一的可能 。 除了许多的系外行星被指定为“潜在的宜居行星” ， 在我们的太阳系中,还有许多其他的候选星球 。 其中包括许多冰冻卫星,它们被认为可能存在能孕育生命的内部海洋 。
这些冰冻星球中就包括土卫六（Titan ， 又称为泰坦） ， 土星最大的卫星 ， 它的大气层和地面之间发生着各种有机化学反应 。 一段时间以来,科学家们一直怀疑 ， 对土卫六大气层的研究,可能会为地球生命进化的早期阶段提供重要线索 。 多亏了科技巨头IBM领导的一项新研究 ， 一组研究人员成功地在实验室里重现了土卫六上的大气环境 。
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这张概念图描绘了一片位于土星卫星泰坦北极的湖泊 ， 展示了凸起的边缘和壁垒状的特征 ， 就像美国宇航局的卡西尼号宇宙飞船在土卫六温尼伯湖周围所看到的那样 。
Credit：NASA/JPL-Caltech
今天我们对土卫六的了解 ， 很大程度上要归功于卡西尼号(Cassini)宇宙飞船 。 卡西尼号于2004至2017年环绕土星飞行 ， 最后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 ， 揭示了一个与地球惊人相似的环境 。 基本上 ， 土卫六是太阳系中除地球外唯一的一个拥有高密度氮大气层和发生有机过程的星体 。
特别有趣的是 ， 科学家们相信 ， 大约28亿年前 ， 地球的大气层可能与此类似 。 这与中太古代相吻合 ， 在这个时期 ， 能光合作用的蓝藻细菌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(最终导致了目前的氮和氧平衡) 。
虽然土卫六的表面被认为蕴藏着一些线索 ， 可以帮助我们更好地理解生命是如何在太阳系中出现的 ， 但如何清楚地观察它的表面一直是个问题 。 其原因与土卫六的大气层有关 ， 大气层中弥漫着一层浓密的光化学雾霾 ， 使光线散射 。 正如Leo Gross和Nathalie Carrasco(该研究的共同作者)最近在IBM Research Blog的一篇文章中所解释的那样:
“土卫六的雾霾由纳米颗粒组成 ， 这些纳米颗粒由各种各样大型复杂的有机分子组成 ， 其中包含碳、氢和氮 。 当（紫外线和宇宙）辐射击中像土卫六这样的大气中甲烷、氮气和其他气体的混合物时 ， 这些分子会发生一连串的化学反应 。
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这个名为PAMPRE的实验模拟了土卫六的大气层 。
Credit：Nathalie Carrasco
因此 ， 对于土卫六大气层中化学过程的驱动力 ， 科学家们仍有很多不了解的地方 ， 其中包括构成这层薄雾霾的大分子的确切化学结构 。 几十年来 ， 天体化学家们一直在实验室里用类似的有机分子进行实验 ， 这些有机分子被称为“tholins” ， 这个词来源于希腊单词“泥泞”或“模糊的” 。
Tholins是在太阳紫外线或宇宙射线照射下形成的各种有机含碳化合物 。 这些分子在太阳系外很常见 ， 通常存在于冰体中 ， 这些冰体的表层含有暴露在辐射中的甲烷冰 。 我们可以根据其淡红色的表面或黄褐色的污点发现它 。
为了进行研究 ， Schulz和Maillard领导的团队进行了一项实验 ， 他们在实验室环境中观察了不同形成阶段的tholins 。 正如Gross和Carrasco所解释的:
“我们向一个不锈钢容器中注入甲烷和氮的混合物 ， 然后通过放电触发化学反应 ， 从而模拟土卫六的大气层中的情况 。 然后 ， 我们在苏黎世的实验室分析了100多个组成泰坦tholins的分子 ， 用我们自制的低温原子力显微镜 ， 获得了其中大约12个分子的原子分辨率图像 。 ”
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NASA的卡西尼号宇宙飞船向土卫六的夜半球望去 ， 看到阳光通过其大气层的外围散射 ， 形成了一个彩色光环 。
Credit：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute
通过分解不同大小的分子 ， 研究小组得以窥见这些雾气分子形成的不同阶段以及它们的化学组成 。 实质上 ， 他们观察到了土卫六大气层中的一个关键成分 ， 正是因为它的形成和积累 ， 造成了土卫六著名的朦胧效应 。 NASA戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)研究员Conor a . Nixon说:
“这篇论文显示了在使用原子级显微镜来研究复杂、多环有机分子结构方面的突破性新工作 。 利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 ， 但不能揭示化学键和结构 。 ”
“这是我们第一次看到合成化合物的分子结构 ， 它们与那些被认为导致土卫六大气层橙色雾气的分子结构相似 。 现在这项应用提供了一个令人兴奋的新工具 ， 用于天体生物材料的样本分析 ， 包括陨石和从行星上返回的样本 。 ”
更重要的是 ， 他们的研究结果也可能揭示了土卫六以甲烷为基础的神秘液体循环 。 在地球上 ， 这个循环是由水在气态(水蒸汽)和液态(雨水和地表水)之间的转变组成的 。 而在土卫六上 ， 同样的循环发生在甲烷上 ， 甲烷从大气中的甲烷气体转变成甲烷雨 ， 形成土卫六著名的碳氢化合物湖 。
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在未来 ， 一种八翼无人机（又名“蜻蜓”）将非常适合在未来几十年里探测土卫六 。
Credt：APL/Michael Carroll
在这种情况下 ， 研究小组的结果可能揭示化学雾气在土卫六的甲烷循环中扮演的角色 ， 包括这些纳米颗粒是否可以漂浮在其甲烷湖上 。 此外 ， 这些发现可以揭示数十亿年前 ， 类似的大气溶胶是否曾经帮助地球上出现了生命 。
Gross和Carrasco描述说:“我们现在拍摄的分子结构 ， 已知是很好的紫外线吸收剂 。 这也就意味着 ， 雾霾可能起到了屏障作用 ， 保护早期地球表面DNA分子免受破坏性辐射的破坏 。 ”
如果这个理论是正确的 ， 研究小组的发现将不仅有助于科学家了解地球上出现生命的条件 ， 他们还可能指出土卫六上可能存在生命 。 这颗卫星的神秘性质是科学家们在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 。
到二十世纪30年代 ， NASA计划向土卫六发射一架名为“蜻蜓”(Dragonfly)的机器人旋翼飞机 ， 以探索土卫六的表面和大气层 ， 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 ， 将使科学家们缩小关注的焦点 ， 增加探测器(一旦到达)找到它所寻找的目标的几率 。
【土卫六|来，教你造一罐泰坦星的大气】来源：牧夫天文


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