土卫六的大气层在实验室中重现，揭示其可能存在生命

原标题：土卫六的大气层在实验室中重现，揭示其可能存在生命

科学界的普遍共识是，在地球之外寻找外星生命证据的最佳地点是火星。但是，它绝不是唯一的地方。除了被指定为“潜在宜居”的太阳系外行星之外，太阳系中还有许多候选星球。它们包括许多冰冷的卫星，这些卫星同样被认为其内部海洋也可能孕育生命，其中之一就是土星最大的卫星土卫六泰坦（Titan）。

一段时间以来，科学家一直怀疑，它的大气层与地表之间正在发生各种有机化学反应。对土卫六大气层的研究可能会为地球生命演化的早期阶段提供重要线索。得益于技术巨头IBM领导的新研究，研究人员正在设法在地球实验室里重现Titan上的大气条件。

这一研究成果在题为“以原子尺度成像泰坦的有机大气层”的论文中进行了阐述，该论文发表在了2月12日的《天体物理学杂志快报》上。该研究团队由Fabian Schulz博士和Julien Maillard博士领导，其中包括IBM研究中心、苏黎世大学、巴黎萨克莱大学、鲁昂大学圣艾涅南大学和弗里茨·哈伯马克斯大学的许多研究员。

我们今天对泰坦的了解大部分归功于卡西尼号飞船，该飞船于2004年至2017年在土星轨道上运行，并通过坠入土星的大气层而完成了其使命。在这段时间里，卡西尼号对泰坦的大气层进行了许多直接测量，揭示了令人惊讶的类似于地球的环境。从根本上讲，土卫六是太阳系中除地球外唯一具有稠密氮气和发生有机过程的星体。

特别有趣的是，科学家们相信，大约在28亿年前，地球的大气层可能与目前的泰坦大气层十分相似。这与Mesoarchean时代相吻合，在那个时期，光合作用的蓝细菌创造了第一个珊瑚礁系统，并缓慢地将地球上的二氧化碳转化为氧气（最终导致了目前氮和氧的平衡）。

人们认为，泰坦的表面有线索，可以帮我们了解太阳系中生命如何出现的，但要清楚地弄清其大气成分仍是一个问题。这与土卫六的大气组成有关，大气中弥漫着浓密的光化学雾，使光散射。正如Leo Gross和Nathalie Carrasco（该研究的合著者）在最近发表在IBM Research Blog上的文章中所解释到：“Titan的大气层由纳米颗粒组成，这些纳米颗粒含有各种各样的由碳、氢和氮组成的大而复杂的有机分子。当（紫外线和宇宙）辐射撞击甲烷、氮和其他气体的混合物时，这些分子以一系列化学反应的形式形成泰坦目前的大气。”

科学家对土卫六大气的形成过程仍然知之甚少，其中包括构成这种烟雾类大分子的确切化学结构。几十年来，天体化学家一直在用称为索林（Tholins）的有机分子进行实验室实验，该词源于希腊语“ muddy”（或“ hazy”）

索林是指暴露于太阳紫外线或宇宙射线时形成的多种有机含碳化合物。这些分子在太阳系外围很常见，通常会在冰体中发现，该冰体的表层含有暴露于辐射的甲烷冰。它们的存在可以通过表面呈红润的表面或类似棕褐色的污渍来确认。

为了进一步研究，由舒尔茨（Schulz）和美拉德（Maillard）领导的小组进行了一项实验，他们在实验室环境中模拟出了大气层各个阶段的索林。正如Gross和Carrasco解释的那样：“我们将甲烷和氮气的混合物注入不锈钢容器中，然后通过放电触发化学反应，从而模拟了泰坦的大气条件。然后，我们在苏黎世的实验室分析了100多个组成泰坦索林的分子，然后借助我们自制的低温原子力显微镜，可以获得大约十几个原子分辨率的图像。”

通过解析不同大小的分子，研究小组获得了这些霾分子生长的不同阶段以及其化学组成。从本质上讲，他们观察到了泰坦大气形成和积累的主要成分，从而产生了泰坦著名的朦胧效果。

“这是我们第一次看到合成化合物的分子结构，类似于那些被认为导致泰坦大气层呈橙色雾状的化合物。该应用程序现在提供了一种令人兴奋的新工具，可用于对天体生物材料进行样品分析，包括陨石和行星采样的样品本身。”

更重要的是，他们的研究结果也可能揭示了土卫六神秘的基于甲烷的水文循环。在地球上，此循环由水在气态（水蒸气）和液态（雨水和地表水）之间转换组成。在土卫六上，甲烷与甲烷发生了相同的循环，液态甲烷从大气中的甲烷气体转变而来，并随着甲烷雨而落下，形成了土卫六著名的碳氢化合物液态湖。

在这种情况下，研究小组的结果可以揭示化学烟雾在土卫六甲烷循环中的作用，包括这些纳米粒子是否可以漂浮在甲烷湖上。此外，这些发现也可以揭示数十亿年前类似的大气气溶胶是否有助于地球上生命的出现。

格罗斯和卡拉斯科说：“我们现在已知的分子结构是紫外线的良好吸收剂，反过来，这意味着雾霾可能起到了屏蔽作用，可以保护地球早期表面上的DNA分子免受有害辐射的侵害。”

如果这个理论是正确的，研究小组的发现不仅可以帮助科学家了解地球上出现生命的条件，还可以指出泰坦上可能存在生命。这颗神秘卫星的这一本质是科学家在1980年代初期首次意识到的，当时旅行者1号和2号太空探测器都飞过了土星系统。

美国宇航局计划到2030年代向泰坦派遣一种名为“蜻蜓”的机器人旋翼机，以探索其表面和大气层并寻找可能的生命迹象。