實驗室研究揭示了碳原子如何在星際冰粒表面擴散形成複雜的有機（碳基）化合物，這對揭示宇宙化學的複雜性至關重要。由於直接觀測技術的不斷改進，在太空中探測到的有機分子以及了解它們如何相互作用的清單正在穩步擴大，然而，揭示複雜過程的實驗室實驗也能提供重要線索。

星際冰上有機化合物形成的藝術描繪。資料來源：Masashi Tsuge

北海道大學的研究人員與日本東京大學的同事合作，在《自然-天文學》（Nature Astronomy）雜誌上報告了基於實驗室的關於碳原子在星際冰粒上的核心作用的新見解。

太空中一些最複雜的有機分子被認為是在星際冰粒表面以極低的溫度生成的。據了解，適合這種用途的冰粒在宇宙中比比皆是。

所有有機分子都是以碳原子結合的骨架為基礎的。大多數碳原子最初是透過恆星中的核融合反應形成的，當恆星在超新星爆炸中死亡時，碳原子最終分散到星際空間。但是，要形成複雜的有機分子，碳原子需要一種機制來聚集在冰粒表面，遇到夥伴原子並與它們形成化學鍵。新研究提出了一個可行的機制。

在30 開爾文（零下243 攝氏度/零下405.4 華氏度）以上，碳原子擴散並結合在一起，形成二原子碳C2。資料來源：Masashi Tsuge 等人，《自然-天文學》。2023 年9 月14 日

北海道大學低溫科學研究所的化學家Masashi Tsuge 說：”在我們的研究中，我們在實驗室中再現了可行的星際條件，能夠探測到弱結合碳原子在冰粒表面擴散反應並生成C2 分子。 C2 也被稱為雙原子碳，是兩個碳原子結合在一起的分子；它的形成是星際冰粒上存在擴散碳原子的具體證據。”

研究發現，這種擴散可在30 開爾文（零下243 攝氏度/零上405.4 華氏度）以上的溫度下發生，而在太空中，只需22 開爾文（零下251 攝氏度/零上419.8 華氏度）就能激活碳原子的擴散。

論文第一作者兼通訊作者柘植雅志（左）與合著者渡邊直樹（右）。資料來源：Masashi Tsuge

柘植說，這些發現將一個先前被忽視的化學過程納入了解釋框架，即如何透過不斷添加碳原子來建構更複雜的有機分子。他認為，這些過程可能發生在恆星周圍的原行星盤中，而行星就是從這些原行星盤形成的。所需的條件也可以在所謂的半透明雲中形成，最終演變成恆星形成區。這也可以解釋地球上可能孕育生命的化學物質的起源。

除了生命起源的問題之外，這項研究還為可能已經並可能仍然在整個宇宙中構建碳基化學的各種化學反應增添了一個基本的新過程。

作者也總結了目前對太空中複雜有機化學物質形成的更普遍的理解，並考慮了由擴散的碳原子驅動的反應可能會如何改變目前的情況。