生命起源的線索?在獵戶座大星雲探測富含複雜分子的熱微核

作者 | 發布日期 2021 年 12 月 31 日 0:00 | 分類 天文 Telegram share ! follow us in feedly


宇宙生命如何起源,是天文學家關注的大哉問,也許可從星際複雜分子獲得可能線索。「研之有物」團隊專訪中央研究院天文及天文物理研究所呂聖元副研究員,他長期研究天文化學,2020 年普查在獵戶座大星雲的恆星形成區,探測到 4 顆富含複雜分子的「熱微核」(hot corino),有助釐清恆星誕生時周遭雲氣的化學演化。

尋找星際複雜分子

天文學家很早就知道,星際存在成分以氫氣為主的分子雲(molecular cloud)。到了 1960 年代,隨著電波天文學進展,學者在分子雲陸續偵測到新分子訊號,才發現分子雲除了氫氣還摻雜很多分子。由於分子雲是恆星與行星系統誕生的地方,不禁讓人聯想,或許有些和生命起源有關。

相較簡單分子,至少 6 個以上原子構成的有機分子,天文學家稱為「複雜有機分子」(complex organic molecules),可能和生命起源有更多連結。過去天文學家試著尋找複雜有機分子,不過早期望遠鏡靈敏度低,所以偵測到的分子都較簡單。

天文學家偵測星際雲氣分子的方法,是量測分子轉動光譜。氣態分子有時轉得快、有時轉得慢,當分子在不同轉動模式變換時會發出或吸收光線,這些有特徵的光線就構成分子轉動光譜。

▲ 一氧化碳分子(亦為簡單分子)不同轉動模式變換示意圖,從快轉切換到慢轉過程會發出光子。天文學家想尋找複雜有機分子,轉動模式會更複雜。

為什麼複雜分子的訊號會比較微弱呢?呂聖元說主要原因有兩個:首先,複雜分子通常需要經歷很多化學過程才能形成,所以在星際雲氣的豐度(註)相對較低。第二,簡單分子轉動模式較單純,複雜分子轉動模式卻很多,使每條輻射譜線亮度相對微弱更不容易觀測。

隨著天文儀器越來越靈敏,實驗室量測量、比對的分子光譜數量越來越多,科學家在星際偵測到的分子種類迅速增加,並找到更多結構複雜的分子。目前偵測到的星際分子種類,從 50 年前個位數增加到最近 200 多個。進入 21 世紀後,綠堤望遠鏡(GBT)及阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(ALMA,中研院亦參與研發建造)等新儀器相繼上線運作,搜尋複雜有機分子的成果更突飛猛進。

雖然目前找到的複雜有機分子,尚未直接連結到生命起源,不過天文學家繼續努力搜尋和生命有關的分子。許多學者努力尋找「甘胺酸」(Glycine),是種構造相對簡單的胺基酸,為人體蛋白質成分之一,若能找到這種分子,有望幫助掌握生命起源的線索。

▲ 天文學家在星際偵測到的分子種類數量,1960 年代只有個位數,隨著電波天文學進展,如綠堤望遠鏡與 ALMA 相繼上線,到 2021 年發現 200 多種分子,並持續增加。(Source:McGuire 2021, arXiv

獵戶座星雲偵測到新「熱微核」

1990 年代找到許多複雜有機分子,都是在大質量恆星誕生的區域,這些地方稱為「熱分子核」(hot molecular core)或「熱核」。發現熱核後,天文學家進一步想:在類似太陽系的小質量恆星誕生區,是否也能找到複雜有機分子呢?

2004 年起,科學家的確在小質量恆星誕生的區域,找到一些複雜有機分子。這些天體比起「熱核」不論大小或質量都要小,因此稱為「熱微核」(hot corino)。

呂聖元指出,不論「熱核」或「熱微核」,所謂「熱」只是相對一般雲氣較高溫。一般分子雲約絕對溫度 10 度(10K,約 -263 ℃),非常寒冷,熱(微)核可達約 100K~200K(約 -173℃~-73℃)。恆星形成過程,部分雲氣密度變高,同時加熱,於是可在毫米波與紅外線波段看到較亮區域,「熱微核」就是相對高溫的緻密區域。

2020 年,台灣大學的博士生許世穎和呂聖元合作發表論文,登上《天文物理期刊》(The Astrophysical Journal),他們在獵戶座大星雲偵測到 4 個新的熱微核。之前已知熱微核並不多,不到 20 個,主要出現在經常觀測且已知的明亮恆星形成區。

呂聖元研究團隊採用全然不同的途徑,不觀測已知恆星形成區,而像矇著眼睛,普查獵戶座星雲沒發現或尚未詳細研究的恆星形成區域,結果發現了熱微核。這項重要發現受惠於 ALMA 望遠鏡的高靈敏度,故可偵測到過去可能無法看見的訊號。

事實上,幫助呂聖元團隊找到熱微核的這項 ALMA 觀測計畫,最初的目的並非尋找複雜有機分子,在呂聖元團隊看過光譜之後,才發現熱微核就在其中,可說是意外的驚喜。

那麼,偵測到新的熱微核意味著什麼?

▲ 此圖由 ALMA 望遠鏡拍攝,呈現獵戶座大星雲中一個恆星形成區的一氧化碳分布,可見到明顯的分子外流(outflow)構造。富含複雜有機分子的「熱微核」位於藍色圓圈區域。(Source:呂聖元)

宇宙中可能更普遍存在複雜有機分子

熱微核並不是所有恆星形成區域都能看到,但是看不到熱微核的地方是真的沒有熱微核,或者只是我們「視而不見」呢?

呂聖元團隊研究發現,目前找到的熱微核,大多仍出現在總亮度相對比較亮的恆星形成區。為什麼比較亮的地方才看得到熱微核?許世穎和呂聖元等即將發表的新論文提供了解釋:亮的原恆星附近輻射比較強,因此可造成範圍較大的熱區,使得熱微核較容易被看到。

呂聖元進一步說明,依照目前主流的了解,複雜有機分子經常在星際塵埃表面的冰晶形成。在熱區之中,冰晶中的分子得以揮發成為氣態,而能被人們透過分子轉動光譜觀測到。明亮的原恆星附近造成較大的熱區,可能就是比較容易觀測到熱微核的原因。

如果以上的解釋正確,就表示目前找到的熱微核數量,可能只是冰山一角。可能在更多的恆星形成區都有熱微核存在,只不過有些熱微核尺度不夠大,所以在目前儀器的靈敏度下沒能偵測到。

呂聖元團隊運用 ALMA 望遠鏡的高靈敏度觀測,確實已在一些過去沒有看到熱微核的地方,找到了較黯淡的熱微核,能夠支持以上的推論。也就是說,可能許多恆星形成區都有熱微核,或者說複雜分子的分布比原先想像更加普遍。

最近還有其他研究發現,在恆星誕生之前的冷雲氣中也偵測到複雜有機分子。也就是說,雲氣還沒有加熱之前,複雜有機分子就已經在氣態中。這表示可能有除了原恆星加熱外的其他管道將冰晶中的複雜有機分子釋放出來,或是有其他的化學反應機制來形成複雜有機分子。

▲ 呂聖元團隊運用 ALMA 望遠鏡的高靈敏度觀測,找到了過去儀器偵測不到的熱微核,複雜分子在星際中的分布,可能比原先想的更加普遍。

持續尋找生命起源的線索

複雜有機分子與生命起源的關聯,雖然尚未有明確答案,但天文學家持續探討這類分子的相關形成機制。呂聖元團隊中的博士後研究員沙德培(Dipen Sahu),近期主導研究甘胺酸的同分異構物──氨基甲酸甲酯(Methyl carbamate)在熱微核環境的形成機制。這項研究考慮了相關的化學反應,利用天文化學模型,計算出恆星形成區此分子的含量,推導的結果與針對熱微核量測出的分子含量上限一致。

呂聖元也談到複雜有機分子與生命起源研究的展望。他認為,這些研究值得以跨領域的方向來發展。國外有些研究單位,已能結合冰晶實驗、化學、天文觀測來研究複雜有機分子,而國內的學者在各個相關項目也有專長。長遠來說,如果要研究生命起源,則需結合天文學與生物學的知識,朝著「天文生物學」的方向發展。

天文學家利用 ALMA 望遠鏡的高靈敏度、高解析度觀測,不但在星際中找到更多種類的複雜有機分子,也在更多恆星形成區發現了富含複雜有機分子的「熱微核」。這些分子最終能否留在它們的太陽系,還有很多關卡要過。未來更進一步的科學研究與發現,將能幫助人們釐清星際中的化學過程,繼續向前一步回答生命起源的大哉問。

▲ 甘胺酸(左)與其同分異構物氨基甲酸甲酯(右)的分子結構示意圖,兩者的原子組成相同,但是鍵結方式不一樣。

註:一般指該分子成分相對於氫分子(H2)的數量。好比最常見的一氧化碳分子(CO),其在星際分子雲中的豐度大約是10-4,也就是大約每 1 萬個氫分子才有 1 個一氧化碳分子。

(作者:歐柏昇;本文由 研之有物 授權轉載;首圖為獵戶座星雲;來源:Flickr/Giuseppe Donatiello CC BY 2.0)