太空尘埃可能没有那么冰冷

太空中的尘埃颗粒可能具有令人惊讶的多孔特性，因此它们的表面可以携带更薄的冰涂层，并支持不同于之前设想的化学反应。

NASA/ESA/STScI/M. Livio & Hubble 20th Anniversary Team

星星诞生之山，船底座星云中的气体和尘埃笼罩着许多新生恒星。实验室实验表明，太空尘埃颗粒表面可能不像之前认为的那样光滑

彗星、小行星和行星最终都是由太空尘埃聚集而成的，尘埃颗粒表面的化学反应也会产生大量的化学物质。在实验室中进行的类似尘埃粒子的实验表明，这些粒子的多孔性比预期的要大得多，这表明人们认为覆盖这些粒子的厚厚的冰层实际上可能非常薄，研究人员说，冰的缺乏可能会极大地改变粒子表面产生的化学物质，可能会改变我们对天文化学工厂生产各种有机分子的速度的认识，包括一些可能是生命的前兆的有机分子。

许多重要的天体物理环境既寒冷又多尘，其中包括形成恒星的分子云，以及新恒星周围由气体和尘埃组成的致密盘状物，行星由此而诞生。天体物理学家很久以前就知道，这些区域的尘埃颗粒表面起着化学反应的作用，这些化学反应产生了从氢气到乙醇等各种各样的分子，所有这些化学物质都是像行星这样的岩石物体的重要组成部分。

在过去的几十年里，研究人员假设这些尘埃颗粒被数百或数千层不同的冰的分子层所覆盖，不仅是冰冻的水，还有包括一氧化碳、氨和甲烷在内的其他化合物，所以表面的化学反应将主要涉及这些层的分子，而不是以碳和硅酸盐为基础的化合物。

现在，马克斯·普朗克天文研究所和德国耶拿弗里德里希-席勒大学的阿列克谢·波塔波夫和他的同事们从实验室实验中发现了厚冰假设可能是错误的证据。之前的研究表明，一些天体物理尘埃颗粒可能是多孔的，在结构上类似海绵，具有非常高的有效表面积。天文观测表明，每个尘埃粒子可用的冰的数量是固定的，因此，如果该粒子多孔性很好，可用的冰就会扩散到一个更薄的层，比表面积更小的光滑尘埃粒子所能预想的要薄。

A. Potapov et al., Phys. Rev. Lett. (2020)

只是尘埃，这张电子显微镜图像显示了在实验室中形成的多孔表面的灰尘颗粒。

为了验证这一想法，研究人员模仿天体物理环境中的一个过程，创造了他们自己的尘埃粒子，当气体在较冷的区域凝结时，尘埃颗粒通常在恒星周围区域形成，形成微小的颗粒，当新的原子撞击这些粒子并粘在一起时，它们就会“生长”，该小组将一束碳原子对准一个固体表面，在那里原子可以聚集，从而模拟了这种“生长”过程。Potapov和他的同事发现，由此产生的尘埃颗粒具有很高的多孔性和表面积。

Potapov认为，在一些颗粒上形成的冰层只有一个分子厚，而其他的只有几层厚。这个估计来自于与光滑的颗粒表面相比的有效表面积的增加的测量。“这就像把黄油涂在面包上，”波塔波夫说。“如果面包更大，表面更厚，面包层就会更薄。“在尘埃颗粒的情况下，表面的大部分存在于多孔材料内部的螺旋孔中。

研究人员相信，这一发现可能会改变很多人对天体物理化学的看法，以碳和硅酸盐为基础的尘埃颗粒材料参与表面反应的可能性表明，可能会形成更大范围的分子，而且各种反应的速率可能会不同于之前的设想，一些在行星和彗星上发现的关键有机分子可以以更快的速度和效率在这些表面上形成，这些可能包括一些被认为参与生物前化学的分子，如甲醛和氨基甲酸铵。

波塔波夫说：“这不仅是化学问题，也是物理问题。”表面的性质强烈影响其他过程，如解吸、吸附和分子扩散。“这些物理过程发生的速率可以强烈地影响表面化学的关键输出。

哈罗德Linnartz荷兰莱顿大学的天体物理学研究相关的化学实验室里，在他的实验中，尘埃粒子表面冰层下没有化学作用如果冰大约50个分子层厚，如果厚度小于5层，它确实发挥作用。对于多孔的尘埃来说，可能有更多暴露在外的尘埃表面，而不是被冰覆盖的表面，“所以这里确实可能发生表面反应(与尘埃物质)。”

这项研究发表在《物理评论快报》上。

马克•布坎南，是一名自由科学作家，他经常在英国的阿伯加文尼和法国的圣母大学工作。

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