新研究利用土衛六的大氣層作為天然實驗室，深入研究甲烷分子的化學性質–這種分子在地球上可能是生命的副產品。土衛六是太陽系第二大衛星，也是唯一擁有濃密大氣層的衛星。在這個富含氮和甲烷的大氣層頂部，太陽輻射產生了種類繁多的有機分子，我們在地球上也能發現其中的一些有機分子，它們是生命的基本單位–細胞的組成成分。

在土衛六大氣層的上層（這裡用藍光錶示），甲烷分子被陽光分解，重新組合成乙烷和乙炔分子。再往下，橘色的迷霧完全掩蓋了地表。資料來源：NASA/JPL/太空科學研究所

由里斯本大學（Ciências ULisboa）天文物理學和太空科學研究所的拉斐爾-席爾瓦（Rafael Silva）和科學學院的碩士領導的一個國際研究小組分析了土衛六大氣層反射的太陽光，首次確定了甲烷分子（CH4）在電磁波譜可見光波段中的近百個特徵，這些特徵對於在其他大氣層中發現甲烷分子至關重要。

土星最大衛星的大氣層將其表面隱藏在一層厚厚的、不透明的霧層之下。它們由有機分子和碳氫化合物組成，”體積很大，形成顆粒，就像地球上一些城市的大氣污染一樣，沉積在地表，」拉斐爾-席爾瓦補充說：拉斐爾-席爾瓦補充說：”那裡可能會有更有趣的化學反應”。圖片來源：NASA/JPL-加州理工學院/太空科學研究所

此外，研究團隊還發現了可能存在三碳分子（C3）的證據，這種分子可能參與了產生土衛六複雜分子的一連串化學反應–如果得到證實，這將是首次在行星體上發現三碳分子。

拉斐爾-席爾瓦說：「土衛六的大氣層就像一個行星大小的化學反應器，產生許多複雜的碳基分子，在我們所知的太陽系所有大氣層中，土衛六的大氣層與我們認為存在於早期地球上的大氣層最為相似。”

甲烷的作用和光譜分析

甲烷在地球上是一種氣體，它提供有關地質過程的信息，也可能提供有關生物過程的資訊。這種分子在地球或土衛六的大氣中存活時間不長，因為它很快就會被太陽輻射不可逆轉地破壞。因此，在土衛六上，甲烷必須透過地質過程來補充，如地下氣體的釋放。

這項工作帶來了有關甲烷化學本身的新資訊。在先前與甲烷吸收有關但從未單獨劃分的線段中，發現了甲烷在可見光波長（橙色、黃色和綠色）下的97 條新吸收譜線。我們第一次知道了每條吸收線的波長和強度。

藝術家構想的土衛六表面。這顆土星的衛星是太陽系中最像地球的世界之一，儘管那裡的溫度高達攝氏零下179 度。它是太陽系中唯一有湖泊的地方，但這些湖泊是碳氫化合物湖。這些分子只由碳和氫組成，就像地球上的水一樣，參與甲烷循環、降雨、形成河流和蒸發。資料來源：NASA/JPL-Caltech

“即使在高解析度光譜中，甲烷的吸收線也不夠強，因為我們在地球上的實驗室裡沒有足夠的氣體。但在土衛六上，我們有整個大氣層，光線穿過大氣層的路徑可能長達數百公里。”拉斐爾-席爾瓦說：”這使得在地球實驗室中信號微弱的不同波段和吸收線在土衛六上非常明顯。”

了解甲烷分子的所有特徵並將其編目也將有助於識別新的分子，特別是在化學性質如此複雜的大氣中，由於分子特徵的密度，即使使用高分辨率儀器，分析光譜也是一項挑戰。

就這樣，研究團隊在海拔600 公里的高空發現了可能存在三碳分子（C3）的跡象。在太陽系中，這種表現為藍色發射的分子迄今只存在於彗核周圍的物質中。研究團隊在土衛六上發現的與三碳有關的吸收線很少，強度也很低，儘管這些吸收線是這類分子所特有的。

拉斐爾-席爾瓦說：”我們對參與土衛六大氣層化學複雜性的不同分子了解得越多，就越能更好地理解可能允許地球生命起源或與之相關的化學進化類型，地球上生命起源的一些有機物被認為是在其大氣層中產生的，其過程與我們在土衛六上觀測到的過程較為相似。”

目前，土星的這顆衛星是太陽系中一個獨特的世界，是準備未來觀測行星系外行星（即所謂的系外行星）大氣層的試驗場。在這些行星中，可能有像土衛六這樣小而冷的天體。

這篇現已發表的文章的第二作者佩德羅-馬查多（Pedro Machado）評論說：”在類似這種具有挑戰性的分析中獲得的經驗，將有益於詹姆斯-韋伯太空望遠鏡或歐洲航太局（ESA）未來的阿里爾太空任務的紅外線觀測。”

這項工作所使用的數據來自2018 年6 月使用UVES 高分辨率可見光和紫外線攝譜儀進行的觀測，該攝譜儀安裝在位於智利的歐洲南方天文台甚大望遠鏡（VLT）上。也使用了2005 年用同一儀器收集的存檔資料。

編譯自: ScitechDaily