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太空中漂浮的异域星际分子

译自Chem-Station网站日本版 原文链接:宇宙に漂うエキゾチックな星間分子

翻译:炸鸡

从太空归来的宇航员的宇航服上能闻到星际分子“甲酸乙酯”的香气和各种离子的“烧焦的”气味,这种“烧焦的”气味很像烤覆盆子的香味。

为什么从太空归来的宇航员的宇航服上会有股气味呢?因为太空中不仅仅有原子和简单粒子,还存在着名为星际分子的化学物质。截止至20222月,已经有257种星际分子被发现。其中,较大分子有苯、萘甲腈、富勒烯等。这些分子对笔者这个有机合成化学出身的笔者来说,它们的存在并不意外,但是笔者看了其余被发现的星际分子后惊讶地发现相当一部分星际分子在地球上是不存在的。

因为太空是高度真空的环境,所以星际分子之间发生碰撞的概率会比地球上分子的之间的碰撞概率要小。同时,一些我们平时能认为非常不稳定的分子在太空中也能稳定存在。这篇文章笔者选择了几个星际分子做介绍。

H3+(质子化的氢气分子)

H3+作为在地球上能观测到的星际分子比较有名。它于1911年被约瑟夫·汤姆孙通过氢气放电实验所发现,上世纪90年代后期作为星际分子被观测到。H3+结构上被称为质子化氢分子,其结构为等边三角形,三个氢分子完全等价,形成所谓的三中心两电子键。详细的解说请看这里,如果这个大量存在于太空,实在是件很可怕的事情。

•OH (羟基自由基)

这是一种非常活泼的活性氧・自由基,它是一个臭名昭著的分子,如果它产生在生物体内,它会立即与周围的分子发生反应接着引起生物体损伤。该分子是水分子的三电子还原产物,实验室内可以通过过氧化氢的Fenton反应制备。但是几乎不可能在地球上单独分离出来,但可以通过ESR之类自旋捕捉分析方法间接测定•OH的生成量。另外,在超低密度﹑高真空的太空中,由于没有遇到反应物,即使是羟基自由基也可以稳定地存在。对于也是活性氧研究者的笔者来说真是不可思议。

HCCS+ (thioketenylium)

HCCS+2022年最新发现的星际分子。HCCS+存在于冰冷的暗星云中,结构上是大量存在的C=C=S自由基被质子化而产生的分子。顺便说一句,它的分子形式硫代酮H2CCS也被确认为星际分子。硫代酮本身是一种在地球上极不稳定﹑不能常态存在的分子,所以更不要说HCCS+了,但是在气温低至–4K的暗星云中,它们是可以常态存在的。

CF+ (fluoromethylidynium)

从分子式上看,怎么看怎么奇怪,下面是它的生成化学反应式。

总觉得可以在各种合成反应中使用,但看起来反应活性却不是那么好。

如果将氟原子替换成氢原子,就会得到CH+ (methylidinium)CH+是很早被发现的星际分子之一,现在依然是天文学界备受关注的分子之一。

ESO天文学家马丁·祖沃在一篇论文中写道:“CH+是一种特殊分子,它需要大量能量才能生成,极其活泼,这就是为什么它的寿命很短,无法远距离移动。这就解释了我们为什么能依靠CH+追踪星系及其周围的能量流动。

https://www.eso.org/public/news/eso1727/ 

CH3C7N (Methylcyanotriacetylene)

CH3C7N 最先被发现为星际分子,之后成功实现了它的合成。它算是我们实际可触碰的星际分子了

“Low Temperature Synthesis and Phosphorescence of Methylcyanotriacetylene”, Urszula Szczepaniak et al.J. Phys. Chem. A, 2018, 122, 1, 89–99, DOI: 10.1021/acs.jpca.7b09728

HeH+(氢化氦离子)

氢化氦离子自宇宙大爆炸之后就在宇宙中存在了,它被认为是宇宙最初的离子物质。即使在浩瀚的宇宙空间中,氦化合物也只发现了氦离子。

宇宙大爆炸之后,宇宙中存在的原子几乎只有氢和氦。宇宙大爆炸约10万年后,这两种物质结合在一起,形成了被认为是宇宙中最早的分子(离子)——“氢化氦离子”。后来,氢化氦离子与氢原子结合产生了氢分子,氢分子是组成宇宙中最早诞生的恒星的主要材料。

现在学界认为氢化氦离子还存在于宇宙中,1925年在实验室里首次合成出氢化氦离子,但遗憾的是经过数十年的寻找,迄今从未真正探测到氢化氦离子的存在。其中一个被认为存在氢化氦离子的候选天体是位于天鹅座方向约3000光年以外的行星状星云“NGC 7027”。因为科学家们认为,星云中存在的年老恒星的紫外线辐射和热量,创造了适合离子形成的环境。(中略)

研究小组为了检测氢化氦离子,升级了太赫兹波接收器“GREAT”,并于2016年观测到了NGC 7027。并且重复捕捉到了氢化氦离子存在的信号。“要想观测到氢化氦离子,在正确的地点使用适合的仪器很重要。SOFIA完美地完成了任务”(美国SOFIA科学中心Harold Yorke

这一发现为氢化氦离子实际存在于宇宙中提供了的证据,并为大体上理解从早期宇宙到现在的复杂化学的关键部分提供了佐证。“我当时在场,看到第一个显示氢化氦离子存在的数据时非常兴奋。漫长的离子寻找终于以一个圆满的结局结束,氢化氦离子消除了我们对早期宇宙的基本化学的疑问”(Güsten)。

引用自https://www.astroarts.co.jp/article/hl/a/10606_heh

结束语

本篇文章介绍了许多星际分子,太空中存在着很多我们在地球上的有机化学者们想象不到的奇异分子(虽然分布密度低)。

 

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