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奇特宇宙非晶质冰或为生命物质保护层(图)  

2013-03-21 09:50:31|  分类: 圈子科技经典 |  标签: |举报 |字号 订阅

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我们熟悉的水冰形式,比如雪花(左侧),它拥有晶体结构;而非晶体冰(右侧)却没有规则的内部结构  我们熟悉的水冰形式,比如雪花(左侧),它拥有晶体结构;而非晶体冰(右侧)却没有规则的内部结构
为了模拟太阳风粒子和宇宙射线造成的伤害,戈达德空间飞行中心的科学家们使用了粒子加速器来进行相关环境模拟。  为了模拟太阳风粒子和宇宙射线造成的伤害,戈达德空间飞行中心的科学家们使用了粒子加速器来进行相关环境模拟。

  北京时间3月16日消息,据物理学家组织网站报道,在一座由炸弹掩体改建而成的实验室中,美国戈达德空间飞行中心下属的宇宙冰实验室的佩里·基拉金斯(Perry Gerakines)教授领导的一个小组制成了一些具有奇异性质的冰。这些冰并非日常生活中所看到的冰雪物质,合成这种特殊形态的冰需要极端的低温和极低的气压。这种情况在地球上难以满足,并且这些冰被制作成非常薄的薄层,其厚度甚至远远小于一粒花粉。

  这种超薄冰层表面被认为非常适宜用于重现在空间环境中发生的关键化学反应过程。借助这一载体,科学家们几乎可以重现太阳系诞生以来在这些冰物质中曾经发生的所有反应,其中的一些或许将有助于解释生命的起源。瑞吉·哈德森(Reggie Hudson)是宇宙冰实验室的负责人,他说:“这可不是人们记忆中在高中里学的化学那么简单,这是在极端环境中发生的化学反应:极端的低温,强烈的辐射环境,还有几乎为零的气压,除此之外这些反应一般都发生于气体或固体中,因为一般而言在星际空间根本就不存在液体物质。”

  戈达德中心的这一实验室是全世界数家致力于研究超低温宇宙冰化学性质的研究机构之一。借助这里拥有的强大粒子加速器,戈达德中心占据了有利条件,可以模拟几乎所有来自太阳或宇宙深处的辐射环境,而这样的辐射环境正是催生这些化学反应的机制。这样的研究让科学家们得以对一些行星以及卫星表面冰层下方的冰物质性质进行研究。

  在实验室中,基拉金斯将一个饭盒大小的隔间中的空气抽出,使其气压值降低至地球标准大气压的10亿分之一不到,随后将其温度冷却至零下258摄氏度。好了,当这些环境条件制备完成之后,只需要打开阀门放入一些水汽就好。事实上,当这些水汽分子一接触这个小隔间内的环境它们在瞬间便被冻结了。

  在这种情况下,这些水分子几乎立即就从原本的水汽状态转变为一种特殊的固体:非晶质冰。非晶质冰和地球上普通的水冰几乎正好相反,常见的水冰是晶体,生活中我们熟悉的雪花,霜针,都是晶体形式的水。作为一种晶体,其内部结构是高度规则有有规律的,甚至它有时候会被作为一种矿物看待,其在摩氏硬度中的硬度值为2.5,这一数字和人的指甲硬度值相当。

  尽管在地球上很少听到,然而非晶质冰在宇宙空间却分布广泛,事实上这种形态的冰可能是整个宇宙中水的最常见形式。在太阳系中,这些冰物质是太阳系形成初期的遗留物,它们以尘埃般大小颗粒的形式散落分布于太阳系的广阔空间之中。科学家们也在彗星和行星的一些冰冻卫星上发现了它们的踪迹。而要在实验室中制备这种奇特的物质的诀窍,正如基拉金斯所介绍的那样,便是限制其厚度,使其以极薄的形式出现,这一厚度甚至要小于一根蜘蛛丝。他说:“水是非常好的绝缘体,因此如果这种冰的厚度太大,那么便只有这一层冰物质的最底层接触到低温表面的部分可以保持足够低的温度,而其它部分的温度就无法确保足够低,这部分偏‘暖’的物质便会结晶。”

  这种超薄冰可以与在太空中发现的所有有趣的化学物质相互结合。目前基拉金斯所感兴趣的化学物质是氨基酸,这种物质在生命现象中占据着关键地位。科学家们花费了数十年时间鉴定出陨石中所含的各种氨基酸成分,并对从彗星取样返回的样本进行了同样的分析工作。基拉金斯表示:“由于水是星际空间和外太阳系冰冻物质中占据最主要地位的种类,在这些区域中的氨基酸物质或多或少都会和这些水物质相互接触。”在近期的实验中,基拉金斯制备了三种不同的冰,每一种都混入了一种不同的氨基酸物质,分别是甘氨酸,丙胺酸以及苯丙氨酸。这些氨基酸种类都是组成蛋白质的材料之一。

  保护层

  而真正的反应发生在当基拉金斯使用辐射轰击这些冰物质的时候。在此之前已经有其他科学家研究了冰在紫外线照射下的反应。而基拉金斯此次则考察了冰物质对宇宙射线的反应,由于宇宙射线的能量极高,它可以抵达行星或卫星地表下方的冰层。为了模拟这种辐射,研究组使用了一台高能粒子加速器发射的一束质子束,这个加速器位于一间地下室,外面则用巨厚的混凝土墙进行隔离以确保安全。

  借助这一质子束,研究组可以在半小时时间内重现这些冰物质在太空环境中数百万年间遭受的破坏作用。此外,只要对这一辐射源的强度和计量进行适当的调整,基拉金斯的小组便可以模拟这些冰被埋藏在彗星,冰卫星或行星地表下方不同深度的情况。随后他分别对由水和氨基酸混合的冰样进行测试,并将结果与纯粹由氨基酸形成的冰得到的结果进行比对。每进行一次辐射轰击,研究组便会使用仪器查看这些氨基酸的分子是否被打断,以及是否有新的物质产生。

  正如预料的那样,随着辐射剂量的不断上升,越来越多的氨基酸分子链被打断。不过基拉金斯的研究组也发现,那些水和氨基酸混合物形成的冰面对辐射的耐受性要比纯粹由氨基酸形成的冰要好得多。这是一个非常让人意外的结果,因为当水分子在辐射轰击下分解时,其产生的产物之一便是羟基(氢氧根),这是非常活跃的极性基团,极容易对其它化合物造成破坏。

  光谱分析证明在辐射照射过程中的确产生了一些羟基。但是总体而言,正如基拉金斯所言:“水基本上承担了阻挡辐射的保护层的作用,或许它吸收了辐射粒子的很大一部分能量,其发挥的阻隔作用就和一层岩石或土壤层相类似。”

  当基拉金斯在两种更高温度环境下重复他的实验时,他惊喜地发现氨基酸的表现甚至比此前的实验结果更好。基于这些初步结果,基拉金斯和哈德森计算了在拥有水冰保护层的情况下,在不同的温度条件下氨基酸能够保持不受损伤的时间长度。

  基拉金斯表示:“我们发现,与水冰混合的氨基酸可以在冥王星或者火星表面安全经过上千万乃至数亿年,;而如果在彗星上,只要它被埋藏于表层之下1厘米以上,便同样可以安全经历这样长的时间段而不受影响。”他说:“而在那些遭受强烈辐射的地方,比如木卫二,则需要相应更深一些的埋深。”

  哈德森表示:“这对于考察项目而言是一个好消息,因为看起来氨基酸在冥王星,木卫二以及火星等天体上的典型温度环境下似乎要比人们原先设想的更加稳定。”(晨风)

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