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震惊!科学家竟然在宇宙中找到了地球上不可能存在的分子!

震惊!科学家竟然在宇宙中找到了地球上不可能存在的分子!

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图片来源:Pixabay


来源 | 中科院物理所(id:cas-iop)

作者 | Ken Croswell

翻译 | 边颖

审校 | wnkwef


含有惰性元素的分子本不应存在。根据稀有气体的定义,氦、氖、氩、氪、氙和氡这些位于周期表的最右侧化学元素难以其他元素成键并形成化合物,事实上,人们从未在地球上观测到任何自然存在的含惰性元素分子。不过,在大约十年之前,天文学家们在太空中偶然发现了这些化合物。


随后,到了2019年,观测者发现了第二种含惰性元素的分子——他们已经苦苦寻找了三十多年。这种在宇宙大爆炸后最先形成的分子揭示了早在恒星和星系形成之前的宇宙的化学成分。这一发现甚至可能有助于天文学家理解第一颗恒星的诞生历程。


大多数化学元素都能与别的元素共享电子形成分子,但惰性元素一般不能。德国科隆大学(University of Cologne)的天体物理学家彼得·席尔克(Peter Schilke)说道:“从某种意义上说,稀有气体非常‘圆满’。”这是因为稀有气体原子的外电子层已经填满了电子,因此通常不会与其他原子交换电子形成化学键,并形成分子,至少在地球上如此。


回顾起来,太空似乎是寻找含惰性元素分子的理想之地,因为这些气体大量存在于宇宙中。氦是宇宙中第二常见的元素,仅次于氢,而氖排在第五位。通常,星际空间中,温度和气体密度都处在临界或超临界状态,这时,稀有气体会发生一些在地球上不能发生的反应,比如说形成分子。


除了揭示宇宙的雏形期外,这些奇特的分子还可以告诉科学家们星际空间的状况,提供有关星际介质的气体的信息。天文学家对此饶有兴致。巴黎天文台的天体物理学家玛丽沃恩·格林(Maryvonne Gerin)感叹道:“星际介质是恒星和行星系统诞生的地方。”她合著了一篇关于星际介质的文章,并于2016年发表在《天文学与天体物理学年度评论》(Annual Review of Astronomy and Astrophysics)上。


几十年来,天文学家一直在寻找一种特殊的含惰性元素分子:氢化氦(HeH+)。氢化氦由宇宙中最常见的氦和氢两种元素组成,因此,人们认为它很有可能存在于太空中。虽然在地球上从未发现天然形成的氢化氦,但大约一世纪前,科学家们就能在实验室中让两类原子结合反应了。这种化合物似乎就是天文学家掘地三尺要找的物质。不过,一种更奇特的分子的发现让他们猝不及防。


 

有关地球稀有气体的发现

 

在地球上,近一个世纪以来,科学家们一直在尝试合成含惰性元素的分子1925年,实验家成功使氦和氢成键,得到了氢化氦,即HeH+。对于天文学家来说,这只是一个分子;但对于化学家而言,由于电性的存在,它应该被归类为分子离子。


1962年,化学家尼尔·巴特利特(Neil Bartlett )将氙和氟、铂结合,首次得到了一种芥末色的化合物。因为其中含有电中性的分子,天文学家和化学家都很乐意称它充满了惰性元素分子。然而,在地球上,从未有人观察到自然形成的含有惰性元素的分子。


 

星际尬闻


在地球的大气中,氩的含量是二氧化碳含量的20多倍,但却很少被提及。实际上,氩在你呼出的气体中含量排到第三位。在地球大气中,氮占78%,氧占21%,而氩则在剩余的1%的混合气体中占大头。


然而,没有人指望能够找到含氩的星际分子。伦敦大学学院(University College London)的天体物理学家迈克·巴洛(Mike Barlow)带领团队意外发现了氢化氩(ArH+,即氩氢离子)。巴洛表示:“这一发现纯属偶然。”


惰性元素(红色,最右列)以其化学反应性低而闻名。在地球上,它们不会与其他原子自然成键形成分子,但在太空中就不一样了。在过去的十年里,天文学家在太空中发现了两种由稀有气体元素氦和氩组成的化合物。


另一种惰性元素也助力了这一发现。2009年,赫歇尔空间天文台(Herschel Space Observatory)进入太空,作业期间,通过足以支撑四年的冷冻液氦罐来冷却降温。这使得天文台能够观测到远处物体发出的远红外光,并且不受自身散热干扰。许多分子都可以吸收和发射远红外光,因此,这一谱带很适合发现新的太空分子。


在赫歇尔发射后的一年内,天文学家开始注意到星际空间中有某种物质在485μm处具有吸收峰,而在之前从未观察到这种谱线。“没有人能弄清楚那是什么。”约翰·霍普金斯大学(Johns Hopkins University)的天体物理学家大卫·纽菲尔德(David Neufeld)如是说道。他合著了一篇于2016年发表在《年度综述》(Annual Review)上的文章。


席尔克(Schilke)咨询了科隆大学(Universität zu Köln)及其他地区的同事。他说道:“我们坐在办公室里,在白板上列出了包括氩氢离子在内的所有可能的分子。”没有任何已知的分子的波长符合观测到的485μm的波长。


与此同时,巴洛的团队正在利用赫歇尔空间天文台传回的数据研究蟹状星云——这是我们的祖先看到的一颗巨大的恒星在1054年爆炸后留下的残骸。这场爆炸产生了氩和其他“金属”——天文学家把所有比氦重的元素都定义为“金属”。


从另一个角度来看,蟹状星云是超新星爆炸的残骸。一千年前,日本和中国的天文观测者目击过这场爆炸。橙色的丝状物揭示了曾经组成这颗恒星的氢元素,蓝色的光芒则来自星云中心的中子星。对于蟹状星云光线的研究揭示了氩氢离子的存在。


在星云的富氩气体中,巴洛和他的同事发现了两条未知的光谱线。其中一条是所有人都看到的那条485μm的神秘线,另一条的波长恰好是前者的一半,这是双原子分子的特征。巴洛将其定为氩氢离子(argonium),并在2013年发表了这一发现。这是有史以来第一个在自然界中发现的含惰性元素的分子。(巴洛指出,在他的科学论文的标题中,编辑在最后一刻把“分子”改为“分子离子”。)


这个发现令人震惊。“当我们听到这个消息时,我们简直惊呆了!”诺伊费尔德(Neufeld)说道。毕竟,天文学家在其他地方也观测到了相同的485μm光谱线。希尔克(Schilke)表示:“当我第一次听说这个发现时,我很尴尬,因为我们居然未曾观测到过。”


科学家们被这场混淆误导了。他们本以为自己是知道氩氢离子的波长的,因为,早在几十年前,科学家们就在实验室中合成了氩氢离子并测出了其光谱。但实验室中的分子包含的是氩-40,这是迄今为止地球上最常见的氩同位素。但这仅仅是因为我们呼吸的氩气来自岩石中钾-40的放射性衰变。


在宇宙中,情况并非如此。希尔克认为:“在星际物质中,氩-36是迄今为止最丰富的同位素。我们太蠢了,竟然没发现这一点。”用氩-36制出的氩氢离子吸收和发射光线的波长与用氩-40得到的氩氢离子略有不同,这就是为什么科学家们没发现的原因。


当他们确认了星际氩氢离子存在时,希尔克、诺伊费尔德、格林(Gerin)和同事们试图解释该分子的形成。希尔克表示:“这是一个不像分子的分子。”正如氩原子(argon)和其他原子截然不同一样。这种奇异的特性也存在实用价值。


地球和天空有所不同:在地球上,大部分空气中的氩都是由氩-40同位素组成的,但在宇宙中(基于太阳风测量),氩-36同位素含量更多。由于科学家混淆了两种同位素,所以延误了发现星际氩氢离子的进程。


 

星际氩氢离子的起源


基于太空化学反应的标准推断,科学家们知道星际氩氢离子的形成需要两个步骤。首先,宇宙射线(高速带电粒子)会从星际氩氢离子中夺走一个电子,使其成为氩离子(Ar+)。随后,该氩离子可以从氢分子(H₂)中夺走一个氢原子,结合成氩氢离子(ArH+);这是因为氢原子更倾向于与氩离子成键,而不是与其他氢原子结合。


然而,氩氢离子结构不稳定,形成化合物所需的氢分子也可以破坏其结构。因此,稀有气体元素分子的存在条件对氢原子与氩原子比例的要求十分苛刻:氢原子过少,两种原子无法实现有效碰撞,氩氢离子就难以形成。氢原子过多,就会与少量的氩原子快速配位,改变氩氢离子的正常结构。这种比例对氩氢离子的形成至关重要。这个苛刻的存在条件实际上大有用处——可以用来确定哪些星际云中不太可能形成新的恒星和行星。


在我们所在的银河系中,星际气体主要有两种类型:原子气体和分子气体。前者更为常见,主要由单独的氢原子和氦原子组成。由于原子气体结构分散,因此很少形成新的恒星。相反,大部分恒星是在密度更大的气体环境中形成的,在这种环境下,原子聚集在一起形成分子。


想区分星际云的主要结构究竟是原子气体还是分子气体,并不容易。但氩氢离子能区分。希尔克表示:“氩氢离子能追踪高纯度原子气体。”实际上,尽管氩氢离子被归到了分子类别,但只存在于99.9%至99.99%纯度的原子气体中。


宇宙射线导致了氩氢离子的形成。因此,氩氢离子在星际空间中的密度能衡量穿过银河系的宇宙射线数量。“宇宙射线的数量比我们之前想象的还要多。”格林如是说。这不仅对未来希望在星际旅行中,尽量减少暴露在破坏性辐射下的柯克斯船长(Captain Kirks)来说很重要,而且对于研究星际物质化学的科学家们也很重要,因为宇宙射线也是其他分子形成的第一步。


 

宇宙中的第一个分子


发现星际氩氢离子之后,天文学家们仍在追寻几十年前理论家们曾预测的最简单的稀有气体元素分子——氢化氦。“这是宇宙中形成的第一个化学键。”内华达大学拉斯维加斯分校(University of Nevada, Las Vegas)的天体物理学家斯蒂芬·莱普(Stephen Lepp)说。


氢化氦分子之所以能够形成,是因为氢和氦是宇宙大爆炸后出现的两个主要元素。在宇宙雏形期,温度极高,氢和氦元素捕获的电子会立刻被由极高温度产生的高能辐射剥离。随着宇宙膨胀,温度逐渐降低。大约在大爆炸后的10万年左右,每个氦原子核捕获了两个电子,变成电中性。氢离子(H+)和氦原子(He)结合在一起,形成了宇宙中的第一个分子——HeH+


氢化氦和氩氢离子是天文学家在太空中发现的两种稀有气体元素分子。


直到今天,仍未有人在早期宇宙中探测到氢化氦。因为这需要跨越超过130亿光年的空间,回到时间的起点,辨识出这个分子微弱的光谱线——相当于去完成一项前无古人的壮举!然而,在2019年4月,德国马普无线电天文学研究所(Max Planck Institute for Radio Astronomy in Germany)的罗尔夫·古斯滕(Rolf Güsten)带领的天文学家们声称在银河系中发现了这个找寻已久的分子。


古斯滕的团队没有使用航天器,而是利用一架特殊的飞机完成这项发现的。这架飞机凌越于大气层的几乎所有水蒸气之上,以确保红外辐射不被阻挡。索菲亚平流层红外天文台(Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy,缩写:SOFIA)运用高分辨率的光谱仪望远镜在银河系中寻找他们期待已久的分子。这一设备成功地在149μm处探测到氢化氦的远红外光谱特征。


古斯滕携同事在天鹅座的NGC7027星云中搜索,前人都未成功,但他们成功了!大约在600年前,一颗被称为红巨星的老化恒星的大气层剥落。我们的太阳在大约78亿年后亦会如此。这颗即将终结的恒星暴露出炽热的核心,温度高达190,000开尔文(340,000华氏度),炽烈发光,辐射出极强的紫外线,将氦原子上的电子剥离,形成He+。He+与星云内部的中性氢原子结合,就得到了HeH+。在宇宙早期,情况恰恰相反,是带电的氢和电中性的氦结合形成HeH+。但最终结果是相同的,产物都是HeH+,即宇宙大爆炸后形成的第一类化学物质。


几十年来,天文学家一直在寻找最轻的含惰性元素分子——氢化氦。他们搜索了这张合成图像中展示的行星状NGC7027星云。2019年,他们终于宣布成功探测到了此分子。氢化氦被认为是宇宙诞生后形成的第一种分子。


“总算是给漫长的故事终于画上了句号。” 天文学家保罗·戈德史密斯(Paul Goldsmith)说道。他在美国宇航局喷气推进实验室(NASA’s Jet Propulsion Laboratory)工作,没有参与这一次发现的工作。探测的结果证实:预测该奇特分子存在的计算是正确的,使得该分子在宇宙雏形期即存在这一说法更为可信。


除了氢化氦,太空可能还存在其他的含惰性元素分子。在太空,氖原子比氩原子多得多,所以可能存在氖氢离子(即NeH+)。如果是这样的话,氖氢离子的丰度和位置将进一步揭示星际物质的环境。另外,氪极其罕见,所以氪离子压根威胁不到“星际超人”。至于氙,就更是稀有了。


不过,宇宙是如此广阔,宇宙各处的温度和密度差异巨大,与地球截然不同。也许,在某个遥远星际云的角落,最不可能成键的原子已经凑在一起,形成了比我们目前发现的任何分子还要奇特的结构,只待一位勇敢的观察者在宇宙深处探测到它们的光谱特征。


原文链接:
https://knowablemagazine.org/content/article/physical-world/2019/noble-gas-molecules-in-space(Space is the place for impossible molecules)


本文转载自公众号“中科院物理所”(ID:cas-iop)


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