走进科学：银河系宇宙线与土卫六“泰坦”大气中的复杂分子有什么关联？

原创：牧夫天文

东京大学特聘副教授饭野孝浩等人组成的研究小组利用ALMA望远镜观测了土卫六“泰坦”的大气，成功探测并分析了其中分子气体放出的微量无线电波。相较于地球大气，土卫六拥有组成更为复杂且更加浓厚的大气。该研究发现，来自太阳系外部的一种名为“银河系宇宙线”的辐射对土卫六的大气成分有所影响，为世界首次得到的观测证据。该小组利用最先进的地面望远镜与数据分析方法结合，得到了与探测器直接造访天体相匹敌的科学成果。

土卫六“泰坦”浓厚的大气主要成分为氮气 [1] (与地球相同)

，气压为地球表面的1.5倍，一些地球大气中没有的复杂分子气体也在土卫六的大气中存在。甚至有研究指出，这些复杂分子气体有可能经过多种化学过程，形成生命产生所必要的氨基酸。因此，对土卫六大气中化学过程的研究是现代行星科学重要的课题之一。事实上，美国国家航天局
(NASA)
发射的探测器“旅行者号”和“卡西尼号”土星探测器均对土卫六进行了详细观测，发现土卫六大气中不仅存在如氢氰酸、丙烷等多种分子气体，而且不同季节分子气体的量会有1000倍左右的剧烈变化。遗憾的是，“卡西尼号”已于2017年结束任务后坠毁，进一步的研究必须依靠地面大型望远镜的观测与数据分析技术的构建。

土卫六“泰坦”，NASA“卡西尼号”土星探测器摄

Credit: 图片来源：NASA 加州大学喷气推进实验室太空科学研究所

研究小组使用位于南美洲智利的ALMA望远镜对土卫六平流层进行了探测，成功地同时探测到了两种复杂分子放出的微量无线电波：仅有10 ppb (约整个大气的一亿分之一) 的乙腈 (结构简式CH₃CN) [2] ，以及仅为其百分之一左右的乙腈-¹⁵N [3] (CH₃C¹⁵N) 。研究小组对探测到的无线电波的特征进行了详细分析 [4] ，明确了乙腈的氮同位素存量，并与近几年的大气化学模拟研究比较后，首次确认了太阳系外宇宙射线 (即银河系宇宙线 [5] ) 对土卫六大气中乙腈的产生起重要作用。

由ALMA望远镜所得土卫六大气中的两种乙腈的光谱。可以看到，与通常含¹⁴N的乙腈相比，含¹⁵N的乙腈信号强度非常微弱。

Credit: Iino et al. (东京大学)

至今为止，由探测器直接对太阳系内天体进行观测产生了许多科学研究成果。虽然探测器能够从天体附近进行详细的观测，但从研究方向的确立到实际观测需要大量时间和人力成本。本次研究使用投入顶尖技术建造的地面大型望远镜，展示了地面望远镜同样可以与探测器相匹敌，对遥远天体的大气成分进行详细观测。另外，本次研究基于2018年发表的计算机模拟论文对所观测分子进行了筛选，同时结合地面望远镜条件灵活确立了研究方向。

由光谱线形状自动求解得到的土卫六大气中含¹⁴N的乙腈的高度分布。含¹⁴N的乙腈分子光谱线形状会根据其存在高度而变化，因此科学家可以由光谱线形状推算分子存在的高度
(即检索计算) 。乙腈大多分布在150
km以上的高度，据推算约占整个土卫六大气的一亿分之一左右。能够由光谱线形状对分子存在高度进行推算，这是频率分辨率较高的无线电波观测的一大特征。

图片来源: Iino et al. (东京大学)

本次研究的观测数据是从ALMA望远镜用于校准的数据中得到，研究目的相同的土卫六观测数据大量存在。研究小组为此准备了相当于100~1000倍家用硬盘容量的500TB超大容量硬盘，从大量观测数据中提取了可能对研究解析有用的部分。此外，研究小组还使用信息科学方法对无线电波的特征
(光谱线形状) 进行解析，计算得到大气中分子存量和分布高度，确立了一系列ALMA望远镜行星大气数据的解析方法。

已知的光化学研究表明，大气中分子气体的产生受到来自太阳的紫外线驱动。然而和地球相比，土卫六距离太阳更远，受到的紫外线强度仅为地球的百分之几。同时，在太阳系外缘银河系宇宙线强度更高，能够比紫外线更加深入平流层下部，破坏氮气分子形成单个氮原子并由此形成乙腈。本次研究首次得到了该过程的观测证据，并对乙腈的氮同位素比值
(¹⁵N/¹⁴N，下同) 进行了精密计算。这一方法展示了对遥远天体大气成分的形成过程的解析，也是本次研究的重要成果之一。

本次研究中测定氮同位素比值的乙腈分子形成过程。观测表明，土卫六平流层中的乙腈有较高的氮同位素比值，与前期研究中银河系宇宙线分解出氮原子并形成乙腈分子的模型预测值一致。

Credit: NASA 加州大学喷气推进实验室太空科学研究所/Iinoetal

其他像乙腈这样在平流层下部形成的分子也可能存在。由此我们可以预见，今后会出现更多的大气化学模拟计算研究，并以此为基础利用ALMA等各大望远镜进行的观测研究。另外，像本次使用的同位素比值这一大气化学方法进行的研究，帮助科学家对其他含有形成过程不明的含氮化合物的行星
(特别是木星和海王星) 的大气化学有了更进一步的理解。

[1]

土卫六半径2570km，是土星最大的卫星，其大气主要成分为氮气，表面气压约为地球的1.5倍。大气组成中第二多的是甲烷。以氮气和甲烷为首，土卫六大气中存在各种各样的分子，可以说是太阳系中大气化学过程最为复杂的天体。土卫六拥有和地球类似的大气环境。紫外线无法透射至土卫六的地表，因此化学反应在平流层形成了各种分子，并在南北两极周围形成漩涡，导致两极上空的大气成分与其他地区不同。

[2] 乙腈 (表示分子结构的结构简式为CH₃CN) 在地球上为液体，可以作为溶剂使用，但在土卫六的平流层中为气体。

[3]
稳定存在的氮原子有两种：¹⁴N和¹⁵N，它们的质量不同。本研究观测了分别含有¹⁴N和¹⁵N的乙腈 (CH₃C¹⁴N和CH₃C¹⁵N)
并测定了其比值。地球上¹⁴N约为¹⁵N的273倍，我们称其氮同位素比值为273。本研究同时观测了土卫六大气中含有¹⁴N和¹⁵N的乙腈，求出各自的存量后计算其氮同位素比值为125
(误差+125, -44) ，高于氢氰酸、腈基聚炔烃等 (氮同位素比值分别为94或72、67) 土卫六大气中其他含氮化合物分子，但低于氮气分子
(168) 。乙腈、腈基聚炔烃、氢氰酸等含氮化合物的形成从氮气分子遭到紫外线或银河系宇宙线 (详见后文)
的分解产生氮原子开始。氢氰酸与腈基聚炔烃分子同位素比值较低是由于能够分解含有¹⁴N的氮气分子的紫外线仅能透射至较高的高度，因此相对来说有更多的¹⁵N氮气分子被分解，以此为基础形成了更多含¹⁵N的氢氰酸与腈基聚炔烃分子。反之，银河系宇宙线分解氮气分子时没有偏颇，能够以相同概率分解含¹⁴N和¹⁵N的氮气分子。也就是说，紫外线和银河系宇宙线所分解的氮原子有不同的同位素比值。本次的科学成果便是测定氮元素的同位素比值，以此确定形成乙腈分子的氮原子是如何分解产生的，并展示乙腈分子在怎样的高度形成。

[4] 研究团队提取出可能含有¹⁵N的乙腈分子光谱数据，从中选出信号最强的数据，同时开发了将探测到的信号强度换算为分子量的计算程序。本研究中团队考虑到土卫六的大气环境和ALMA望远镜的特点，使用了自行开发的解析程序。

[5] 银河系宇宙线主要成分为高能质子，来自太阳系外。银河系宇宙线较难与大气发生反应，可以透射至紫外线无法达到的低高度。和紫外线相同，银河系宇宙线能够分解氮气分子产生氮原子，但产生的氮原子同位素比值不同。因此，科学家可以通过计算氮原子的同位素比值来确定分子是由紫外线还是银河系宇宙线分解而成的。研究团队认为，本次观测的乙腈分子与氢氰酸、腈基聚炔烃同样形成于平流层上部，但在平流层下部紫外线难以透射到的位置，氢氰酸与腈基聚炔烃难以形成，而银河系宇宙线所分解的氮原子在此依然能够形成乙腈。本次的一大成果即为由同位素比值测定得到的乙腈分子形成高度。

论文与研究团队

本观测成果发表于2020年2月17日美国天体物理学期刊Astrophysical Journal，题为T. Iino et al. “¹⁴N/¹⁵N isotopic ratio in CH₃CN of Titan’s atmosphere measured with ALMA”。

本次研究团队的成员如下所示：

饭野孝浩 (东京大学) 、佐川英夫 (京都产业大学) 、塚越崇 (国立天文台) 

本研究得到了日本学术振兴会科学研究费辅助金 (No. 17K14420, 19K14782) 、公益财团法人电气通信普及财团、自然科学研究机构天体生物学中心的赞助。

『天文时刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

土星、土卫六、土星环与烟霾

Credit：NASA, ESA, JPL, SSI, Cassini Imaging Team

影像中央的庞大圆形天体是土卫六，它是土星最大的卫星。土卫六中央的黑点是其固体核心，周围明亮的光环是土卫六外层的大气烟霾。这种气体散射太阳光，以致装载在卡西尼号宇宙飞船上的相机能够捕捉到它。横切过这幅影像的是几乎侧视的土星环。土卫六右下方的黑点是土星的一颗小卫星土卫二。