天文化學

第一個宇宙分子

2020-05-01 佛頓貝利(Ryan C. Fortenberry)
科學家已經找到許多神秘太空分子,其中的一種化合物可能驅動了宇宙中最初的一連串化學反應。

重點題要

  1. 天文化學研究的對象是太空分子,太空中的溫度和壓力與地球大相逕庭,因此許多化學物質與我們熟知的大不相同,有些甚至前所未見。
  2. 這個領域近來的幾項突破改變了我們對化學的了解。科學家終於發現多年來預測的「氫化氦」(HeH+),這可能是宇宙中首先形成的分子。
  3. 研究人員也測定出一些組成「瀰漫星際譜帶」(DIB)的分子,數十年來天文學家在星際空間不斷看到這種神秘化學特徵。


宇宙中的第一批「原子」其實根本不是原子,而是尚未尋獲電子的原子核。它們是最簡單的氫原子核,而且是毫無掩飾的裸質子。當宇宙從大霹靂之中誕生,能量蔓延開來,所有粒子都粉碎消散。質子和中子不時發生碰撞,其中一些形成較大的原子核,例如含有一個質子和一個中子的氘核(參見下圖),以及含有兩個質子和兩個中子的氦核。其他組成的原子核也形成了,但由於原子的身分由質子數決定,它們基本上只是不同組成的氫、氦和微量的鋰。


在這三種原子中,氦首先形成「真原子」。組成原子不僅需要原子核,還需要電子,而氦是第一個能讓電子「填滿」的原子核。為什麼不是氫或鋰呢?這是因為氦是元素週期表中第一個「惰性氣體」,也就是第一個能備足電子、完全填充電子殼層空位的原子。如果把電子視為化學中的貨幣,氦就是元素週期表中的大盜。在現代實驗室中,要從氦中竊取電子所需的能量,比從其他元素中竊取電子都更多;要從氦中奪取第二個電子所需的能量,更是奪取第一個電子的兩倍以上。在早期宇宙中,一旦氦原子核開始蒐集電子,就會比氫原子核早一步填滿電子雲中的空位,而這時需要三個電子的鋰原子核數量還極少。


當時,宇宙中其餘的物質主要仍是孤立的質子。這些質子開始因缺乏電子而放慢腳步,尋找帶有相反電荷的夥伴,形成電中性。但是要捕獲自由電子十分困難,因此質子轉而尋找那些已經擁有兩個電子的氦。儘管氦吝於分享電子,卻不斷與氫原子核碰撞。碰撞的壓力導致一些氦原子與質子共享電子,第一個化學鍵自此形成。氦和氫的新化合物稱為氫化氦或氦合氫離子(HeH+,參見右頁左圖),是宇宙芸芸眾物質中第一個分子。


氦是宇宙中第一個產生鍵結的元素,這令人驚訝,因為在今日,我們認為氦是最不會與其他元素鍵結的原子。它是十分滿足於現狀的惰性氣體,電子數恰到好處。但是在早期宇宙,氦是唯一可借出電子的銀行。


數十年來,關於宇宙中第一個分子的這套情節已經有了很堅實的理論基礎,但長期以來缺乏觀察佐證。HeH+在地球上無法自然形成,只能在實驗室中合成,數十年的太空搜尋也沒有偵測到HeH+。然而去年天文學家宣稱在一顆死亡恆星的灰燼中首次觀察到這種分子,40年來的努力搜索終於獲得回報,也為早期宇宙形成的過程補上重要的一片拼圖。


HeH+現在加入了太空分子的名單;截至目前為止,科學家已經在太空中發現200多種分子。這些針對地球以外化學的研究(相關研究人員稱之為「天文化學」)旨在闡明太空分子和形成方式,以及這些分子的演化對觀測天文學和理論天文物理學的意義。在地球上,許多已知的太空分子很常見,例如水、氨和甲醛,有些則極為稀少,例如多了一個質子的鹽酸(即H2Cl+,參見右圖)或是少了一個氫原子的過氧化氫(即超氧化氫)。科學家還觀察到帶電分子、具有不成對電子的分子,以及某些常見分子以奇怪的原子排列方式存在,甚至是含有惰性氣體的新奇分子,例如氫化氬(ArH+)和新記錄到的HeH+


大多數的化學研究都致力於使人類生活更安全、更有效率或是讓人們過得更舒適,天文化學則著眼於分子的最基本特性。它有助於釐清化學鍵結的真正涵義、分子完整存在的時間,以及某些化學物質較普遍的原因。太空中的溫度、壓力以及常見元素都與我們熟悉的截然不同,研究如此陌生的天文化學,找到的某些分子或許能挑戰過去對原子之間作用力的觀念,讓我們更深入了解化學。最終,科學家希望了解這些化學物質如何進入太陽系的行星而成為生命的原料。


HeH+在哪裡?

1925年,哈葛尼斯(T. R. Hogness,後來參與曼哈頓計畫的科學家)與同事朗恩(E. G. Lunn)在美國加州大學柏克萊分校的實驗室中發現,在混合氦與氫的真空管中製造電弧,可合成諸多不同質量的離子。測量分子的質荷比是質譜法這種化學分析方法的強項,現今常見的這項技術在初步分析後發現,這團混合物中短暫出現了質荷比為五的物質,只可能是HeH+。事實證明,即使在哈葛尼斯和朗恩所掌管的實驗室中,要讓這種含有惰性氣體的分子存在夠長的時間來加以研究,也異常困難。


早期宇宙中的HeH+更不穩定,即使只是與另一個原子發生最輕微的碰撞,都可能釋出質子。氦在這個鍵結關係中提供兩個電子,而氫完全不提供電子,這種不平等的鍵結(稱為配位鍵)比一般的共價鍵弱。在一般的共價鍵中,雙方原子對鍵結的貢獻較為平等。


1978年,明尼蘇達大學的布萊克(John H. Black)率先提出,HeH+仍可能存在於太空中。布萊克建議,行星狀星雲是個適合尋找HeH+的地方,這種天體是恆星死亡時劇烈活動所噴出充滿能量的物質。當這種星雲中出現中性氫原子,科學家常發現一層薄薄的電離氦原子(即He+),氦對電子的強烈需求會驅使它從氫借用一個電子,從而形成鍵結(即HeH+)。自1970年代後期,天文學家及化學家便不斷尋找HeH+,從宇宙的邊緣到超大質量恆星等,然而數十年來,這些搜索一無所獲,致使一些人懷疑HeH+在啟動一連串化學反應的過程中扮演的角色。氦真的與質子結合了嗎?似乎必定如此,畢竟在宇宙形成之初沒有其他物質可與之鍵結。但若果真如此,那麼HeH+身在何方?


分子指紋

天文化學家尋找HeH+無功而返,卻發現了未曾預測的許多分子,其中有些甚至身分不明。


事情要從1919年說起,當時天文學家赫格(Mary Lea Heger)在加州聖克拉拉郡漢密爾頓山頂的里克天文台觀測一對互繞的雙星,類似於星際大戰中塔圖因行星的兩顆太陽,她對於眼前的現象感到驚訝。


由於每個分子的原子和電子都有特殊的排列方式,因此會吸收特定波長的光,這些吸收特徵賦予每個分子獨特的「指紋」,天文學家分析星光的波長組成,便能依照指紋判斷各種分子的身分,這種方法稱為光譜學。當赫格觀測的雙星繞其質心運行時,兩顆恆星大氣中分子的光譜特徵會因為都普勒效應發生偏移。


但是赫格發現了一些光譜特徵在恆星移動時仍然保持不變,接著她觀測另一個雙星系統,也看到了相同的模式。後續研究顯示,當望遠鏡觀測單顆恆星時,這些保持不變的光譜特徵也會存在,顯示擁有這些特徵的分子必定不是位在恆星周圍,而是恆星之間廣袤寒冷的區域。最瘋狂的是,天文學家觀察所有恆星甚至星系時,都會看到大致相同的光譜特徵,這個無所不在的光譜特徵稱為瀰漫星際譜帶(DIB)。科學家比對了有記錄的所有分子光譜特徵,包括地球上自然存在的分子、實驗室中新合成的分子,以及藉由電波望遠鏡在太空中觀測到的分子,卻沒有一種分子符合DIB。這是全新的光譜指紋......


# 關鍵字:天文化學宇宙氫化氦
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