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LeoGross和NathalieCarrasco(该研究的共同作者)最近在IBMResearchBlog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：NathalieCarrasco
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/SpaceScienceInstitute
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(GoddardSpaceFlightCenter)研究员Conora.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。 ”