含有惰性元素的分子本不應(yīng)存在。根據(jù)稀有氣體的定義，氦、氖、氬、氪、氙和氡這些位于周期表的最右側(cè)化學(xué)元素難以和其他元素成鍵并形成化合物，事實(shí)上，人們從未在地球上觀測(cè)到任何自然存在的含惰性元素分子。不過(guò)，在大約十年之前，天文學(xué)家們?cè)谔罩信既话l(fā)現(xiàn)了這些化合物。
隨后，到了 2019 年，觀測(cè)者發(fā)現(xiàn)了第二種含惰性元素的分子 —— 他們已經(jīng)苦苦尋找了三十多年。這種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學(xué)成分。這一發(fā)現(xiàn)甚至可能有助于天文學(xué)家理解第一顆恒星的誕生歷程。
大多數(shù)化學(xué)元素都能與別的元素共享電子形成分子，但惰性元素一般不能。德國(guó)科隆大學(xué)（University of Cologne）的天體物理學(xué)家彼得?席爾克（Peter Schilke）說(shuō)道：“從某種意義上說(shuō)，稀有氣體非?！畧A滿’?！边@是因?yàn)橄∮袣怏w原子的外電子層已經(jīng)填滿了電子，因此通常不會(huì)與其他原子交換電子形成化學(xué)鍵，并形成分子，至少在地球上如此。
回顧起來(lái)，太空似乎是尋找含惰性元素分子的理想之地，因?yàn)檫@些氣體大量存在于宇宙中。氦是宇宙中第二常見的元素，僅次于氫，而氖排在第五位。通常，星際空間中，溫度和氣體密度都處在臨界或超臨界狀態(tài)，這時(shí)，稀有氣體會(huì)發(fā)生一些在地球上不能發(fā)生的反應(yīng)，比如說(shuō)形成分子。
除了揭示宇宙的雛形期外，這些奇特的分子還可以告訴科學(xué)家們星際空間的狀況，提供有關(guān)星際介質(zhì)的氣體的信息。天文學(xué)家對(duì)此饒有興致。巴黎天文臺(tái)的天體物理學(xué)家瑪麗沃恩?格林（Maryvonne Gerin）感嘆道：“星際介質(zhì)是恒星和行星系統(tǒng)誕生的地方?！彼现艘黄P(guān)于星際介質(zhì)的文章，并于 2016 年發(fā)表在《天文學(xué)與天體物理學(xué)年度評(píng)論》(Annual Review of Astronomy and Astrophysics) 上。
幾十年來(lái)，天文學(xué)家一直在尋找一種特殊的含惰性元素分子：氫化氦（HeH+）。氫化氦由宇宙中最常見的氦和氫兩種元素組成，因此，人們認(rèn)為它很有可能存在于太空中。雖然在地球上從未發(fā)現(xiàn)天然形成的氫化氦，但大約一世紀(jì)前，科學(xué)家們就能在實(shí)驗(yàn)室中讓兩類原子結(jié)合反應(yīng)了。這種化合物似乎就是天文學(xué)家掘地三尺要找的物質(zhì)。不過(guò)，一種更奇特的分子的發(fā)現(xiàn)讓他們猝不及防。
有關(guān)地球稀有氣體的發(fā)現(xiàn)
在地球上，近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家們一直在嘗試合成含惰性元素的分子 1925 年，實(shí)驗(yàn)家成功使氦和氫成鍵，得到了氫化氦，即 HeH+。對(duì)于天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，這只是一個(gè)分子；但對(duì)于化學(xué)家而言，由于電性的存在，它應(yīng)該被歸類為分子離子。
1962 年，化學(xué)家尼爾?巴特利特（Neil Bartlett ) 將氙和氟、鉑結(jié)合，首次得到了一種芥末色的化合物。因?yàn)槠渲泻须娭行缘姆肿?，天文學(xué)家和化學(xué)家都很樂(lè)意稱它充滿了惰性元素分子。然而，在地球上，從未有人觀察到自然形成的含有惰性元素的分子。
星際尬聞
在地球的大氣中，氬的含量是二氧化碳含量的 20 多倍，但卻很少被提及。實(shí)際上，氬在你呼出的氣體中含量排到第三位。在地球大氣中，氮占 78%，氧占 21%，而氬則在剩余的 1% 的混合氣體中占大頭。
然而，沒(méi)有人指望能夠找到含氬的星際分子。倫敦大學(xué)學(xué)院（University College London）的天體物理學(xué)家邁克?巴洛（Mike Barlow）帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)意外發(fā)現(xiàn)了氫化氬（ArH+，即氬氫離子）。巴洛表示：“這一發(fā)現(xiàn)純屬偶然。”
另一種惰性元素也助力了這一發(fā)現(xiàn)。2009 年，赫歇爾空間天文臺(tái)（Herschel Space Observatory）進(jìn)入太空，作業(yè)期間，通過(guò)足以支撐四年的冷凍液氦罐來(lái)冷卻降溫。這使得天文臺(tái)能夠觀測(cè)到遠(yuǎn)處物體發(fā)出的遠(yuǎn)紅外光，并且不受自身散熱干擾。許多分子都可以吸收和發(fā)射遠(yuǎn)紅外光，因此，這一譜帶很適合發(fā)現(xiàn)新的太空分子。
在赫歇爾發(fā)射后的一年內(nèi)，天文學(xué)家開始注意到星際空間中有某種物質(zhì)在 485μm 處具有吸收峰，而在之前從未觀察到這種譜線?！皼](méi)有人能弄清楚那是什么。”約翰?霍普金斯大學(xué)（Johns Hopkins University）的天體物理學(xué)家大衛(wèi)?紐菲爾德（David Neufeld）如是說(shuō)道。他合著了一篇于 2016 年發(fā)表在《年度綜述》（Annual Review）上的文章。
席爾克（Schilke）咨詢了科隆大學(xué)（Universit?t zu K?ln）及其他地區(qū)的同事。他說(shuō)道：“我們坐在辦公室里，在白板上列出了包括氬氫離子在內(nèi)的所有可能的分子?！睕](méi)有任何已知的分子的波長(zhǎng)符合觀測(cè)到的 485μm 的波長(zhǎng)。
與此同時(shí)，巴洛的團(tuán)隊(duì)正在利用赫歇爾空間天文臺(tái)傳回的數(shù)據(jù)研究蟹狀星云 —— 這是我們的祖先看到的一顆巨大的恒星在 1054 年爆炸后留下的殘骸。這場(chǎng)爆炸產(chǎn)生了氬和其他“金屬”—— 天文學(xué)家把所有比氦重的元素都定義為“金屬”。
在星云的富氬氣體中，巴洛和他的同事發(fā)現(xiàn)了兩條未知的光譜線。其中一條是所有人都看到的那條 485μm 的神秘線，另一條的波長(zhǎng)恰好是前者的一半，這是雙原子分子的特征。巴洛將其定為氬氫離子（argonium），并在 2013 年發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)。這是有史以來(lái)第一個(gè)在自然界中發(fā)現(xiàn)的含惰性元素的分子。（巴洛指出，在他的科學(xué)論文的標(biāo)題中，編輯在最后一刻把“分子”改為“分子離子”。）
這個(gè)發(fā)現(xiàn)令人震驚。“當(dāng)我們聽到這個(gè)消息時(shí)，我們簡(jiǎn)直驚呆了！”諾伊費(fèi)爾德（Neufeld）說(shuō)道。畢竟，天文學(xué)家在其他地方也觀測(cè)到了相同的 485μm 光譜線。希爾克（Schilke）表示：“當(dāng)我第一次聽說(shuō)這個(gè)發(fā)現(xiàn)時(shí)，我很尷尬，因?yàn)槲覀兙尤晃丛^測(cè)到過(guò)。”
科學(xué)家們被這場(chǎng)混淆誤導(dǎo)了。他們本以為自己是知道氬氫離子的波長(zhǎng)的，因?yàn)?，早在幾十年前，科學(xué)家們就在實(shí)驗(yàn)室中合成了氬氫離子并測(cè)出了其光譜。但實(shí)驗(yàn)室中的分子包含的是氬-40，這是迄今為止地球上最常見的氬同位素。但這僅僅是因?yàn)槲覀兒粑臍鍤鈦?lái)自巖石中鉀-40 的放射性衰變。
在宇宙中，情況并非如此。希爾克認(rèn)為：“在星際物質(zhì)中，氬-36 是迄今為止最豐富的同位素。我們太蠢了，竟然沒(méi)發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)。”用氬-36 制出的氬氫離子吸收和發(fā)射光線的波長(zhǎng)與用氬-40 得到的氬氫離子略有不同，這就是為什么科學(xué)家們沒(méi)發(fā)現(xiàn)的原因。
當(dāng)他們確認(rèn)了星際氬氫離子存在時(shí)，希爾克、諾伊費(fèi)爾德、格林（Gerin）和同事們?cè)噲D解釋該分子的形成。希爾克表示：“這是一個(gè)不像分子的分子?！闭鐨逶樱╝rgon）和其他原子截然不同一樣。這種奇異的特性也存在實(shí)用價(jià)值。
星際氬氫離子的起源
基于太空化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)推斷，科學(xué)家們知道星際氬氫離子的形成需要兩個(gè)步驟。首先，宇宙射線（高速帶電粒子）會(huì)從星際氬氫離子中奪走一個(gè)電子，使其成為氬離子（Ar+）。隨后，該氬離子可以從氫分子（H2）中奪走一個(gè)氫原子，結(jié)合成氬氫離子（ArH+）；這是因?yàn)闅湓痈鼉A向于與氬離子成鍵，而不是與其他氫原子結(jié)合。
然而，氬氫離子結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，形成化合物所需的氫分子也可以破壞其結(jié)構(gòu)。因此，稀有氣體元素分子的存在條件對(duì)氫原子與氬原子比例的要求十分苛刻：氫原子過(guò)少，兩種原子無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效碰撞，氬氫離子就難以形成。氫原子過(guò)多，就會(huì)與少量的氬原子快速配位，改變氬氫離子的正常結(jié)構(gòu)。這種比例對(duì)氬氫離子的形成至關(guān)重要。這個(gè)苛刻的存在條件實(shí)際上大有用處 —— 可以用來(lái)確定哪些星際云中不太可能形成新的恒星和行星。
在我們所在的銀河系中，星際氣體主要有兩種類型：原子氣體和分子氣體。前者更為常見，主要由單獨(dú)的氫原子和氦原子組成。由于原子氣體結(jié)構(gòu)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氣體環(huán)境中形成的，在這種環(huán)境下，原子聚集在一起形成分子。
想?yún)^(qū)分星際云的主要結(jié)構(gòu)究竟是原子氣體還是分子氣體，并不容易。但氬氫離子能區(qū)分。希爾克表示：“氬氫離子能追蹤高純度原子氣體?！睂?shí)際上，盡管氬氫離子被歸到了分子類別，但只存在于 99.9% 至 99.99% 純度的原子氣體中。
宇宙射線導(dǎo)致了氬氫離子的形成。因此，氬氫離子在星際空間中的密度能衡量穿過(guò)銀河系的宇宙射線數(shù)量?！坝钪嫔渚€的數(shù)量比我們之前想象的還要多?！备窳秩缡钦f(shuō)。這不僅對(duì)未來(lái)希望在星際旅行中，盡量減少暴露在破壞性輻射下的柯克斯船長(zhǎng)（Captain Kirks）來(lái)說(shuō)很重要，而且對(duì)于研究星際物質(zhì)化學(xué)的科學(xué)家們也很重要，因?yàn)橛钪嫔渚€也是其他分子形成的第一步。
宇宙中的第一個(gè)分子
發(fā)現(xiàn)星際氬氫離子之后，天文學(xué)家們?nèi)栽谧穼资昵袄碚摷覀冊(cè)A(yù)測(cè)的最簡(jiǎn)單的稀有氣體元素分子 —— 氫化氦。“這是宇宙中形成的第一個(gè)化學(xué)鍵?！眱?nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校（University of Nevada, Las Vegas）的天體物理學(xué)家斯蒂芬?萊普（Stephen Lepp）說(shuō)。
氫化氦分子之所以能夠形成，是因?yàn)闅浜秃な怯钪娲蟊ê蟪霈F(xiàn)的兩個(gè)主要元素。在宇宙雛形期，溫度極高，氫和氦元素捕獲的電子會(huì)立刻被由極高溫度產(chǎn)生的高能輻射剝離。隨著宇宙膨脹，溫度逐漸降低。大約在大爆炸后的 10 萬(wàn)年左右，每個(gè)氦原子核捕獲了兩個(gè)電子，變成電中性。氫離子（H+）和氦原子（He）結(jié)合在一起，形成了宇宙中的第一個(gè)分子 ——HeH+。
直到今天，仍未有人在早期宇宙中探測(cè)到氫化氦。因?yàn)檫@需要跨越超過(guò) 130 億光年的空間，回到時(shí)間的起點(diǎn)，辨識(shí)出這個(gè)分子微弱的光譜線 —— 相當(dāng)于去完成一項(xiàng)前無(wú)古人的壯舉！然而，在 2019 年 4 月，德國(guó)馬普無(wú)線電天文學(xué)研究所（Max Planck Institute for Radio Astronomy in Germany）的羅爾夫?古斯滕（Rolf Güsten）帶領(lǐng)的天文學(xué)家們聲稱在銀河系中發(fā)現(xiàn)了這個(gè)找尋已久的分子。
古斯滕的團(tuán)隊(duì)沒(méi)有使用航天器，而是利用一架特殊的飛機(jī)完成這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的。這架飛機(jī)凌越于大氣層的幾乎所有水蒸氣之上，以確保紅外輻射不被阻擋。索菲亞平流層紅外天文臺(tái)（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，縮寫：SOFIA）運(yùn)用高分辨率的光譜儀望遠(yuǎn)鏡在銀河系中尋找他們期待已久的分子。這一設(shè)備成功地在 149μm 處探測(cè)到氫化氦的遠(yuǎn)紅外光譜特征。
古斯滕攜同事在天鵝座的 NGC7027 星云中搜索，前人都未成功，但他們成功了！大約在 600 年前，一顆被稱為紅巨星的老化恒星的大氣層剝落。我們的太陽(yáng)在大約 78 億年后亦會(huì)如此。這顆即將終結(jié)的恒星暴露出熾熱的核心，溫度高達(dá) 190,000 開爾文（340,000 華氏度），熾烈發(fā)光，輻射出極強(qiáng)的紫外線，將氦原子上的電子剝離，形成 He+。He+ 與星云內(nèi)部的中性氫原子結(jié)合，就得到了 HeH+。在宇宙早期，情況恰恰相反，是帶電的氫和電中性的氦結(jié)合形成 HeH+。但最終結(jié)果是相同的，產(chǎn)物都是 HeH+，即宇宙大爆炸后形成的第一類化學(xué)物質(zhì)。
“總算是給漫長(zhǎng)的故事終于畫上了句號(hào)。” 天文學(xué)家保羅?戈德史密斯（Paul Goldsmith）說(shuō)道。他在美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（NASA’s Jet Propulsion Laboratory）工作，沒(méi)有參與這一次發(fā)現(xiàn)的工作。探測(cè)的結(jié)果證實(shí)：預(yù)測(cè)該奇特分子存在的計(jì)算是正確的，使得該分子在宇宙雛形期即存在這一說(shuō)法更為可信。
除了氫化氦，太空可能還存在其他的含惰性元素分子。在太空，氖原子比氬原子多得多，所以可能存在氖氫離子（即 NeH+）。如果是這樣的話，氖氫離子的豐度和位置將進(jìn)一步揭示星際物質(zhì)的環(huán)境。另外，氪極其罕見，所以氪離子壓根威脅不到“星際超人”。至于氙，就更是稀有了。
不過(guò)，宇宙是如此廣闊，宇宙各處的溫度和密度差異巨大，與地球截然不同。也許，在某個(gè)遙遠(yuǎn)星際云的角落，最不可能成鍵的原子已經(jīng)湊在一起，形成了比我們目前發(fā)現(xiàn)的任何分子還要奇特的結(jié)構(gòu)，只待一位勇敢的觀察者在宇宙深處探測(cè)到它們的光譜特征。
作者：Ken Croswell
翻譯：邊穎
審校：wnkwef
原文鏈接：Space is the place for impossible molecules
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Ken Croswell
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