在猎户座大星云探测「热微核」——寻找生命起源的线索！ ，群星探测母星系

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采访|欧艺术设计|林育南

为什么要研究宇宙中的複杂分子？

生命如何起源于宇宙？这是天文学家关心的一个大问题。也许我们可以从星际空间的复杂分子中得到一些可能的线索。课题组采访了中国科学院天文与天体物理研究所副研究员卢圣元。他研究天体化学很长时间了。2020年，在猎户座星云的恒星形成区探测到4个富含复杂分子的“热微核”，有助于阐明恒星诞生时周围云的化学演化。

美丽的猎户座星云在其恒星形成区有富含复杂分子的热微核。图//Wikimedia Commons

寻找星际中的複杂分子

天文学家很早就知道星际空间中存在以氢为主要成分的分子云。20世纪60年代，随着射电天文学的发展，学者们在分子云中探测到了新的分子信号。这才发现，分子云中除了氢，还有很多不同的分子。由于分子云是恒星和行星系统诞生的地方，人们不禁会认为其中可能存在一些与生命起源有关的分子。

与简单分子相比，由至少6个原子组成的有机分子，天文学家称之为“复杂有机分子”，可能与生命起源有更多联系。过去，天文学家试图寻找复杂的有机分子，但早期望远镜的灵敏度较低，因此最初探测到的分子相对简单。

天文学家探测星际云中分子的方法是测量分子的旋转光谱。气态分子有时转得快，有时转得慢，当分子在不同的旋转模式下发生变化时，会发出或吸收光，这些特征光构成了分子的旋转光谱。

图片是一氧化碳分子(也是简单分子)在不同旋转模式下的变化示意图，在从快转切换到慢转的过程中会发出光子。天文学家正在寻找的复杂有机分子将具有更复杂的旋转模式。图//Wikimedia Commons为什么复杂分子的信号很弱？卢圣元说，主要有两个原因：第一，复杂的分子通常需要经过许多化学过程才能形成，因此星际云中的丰度相对较低。其次，简单分子的转动模式相对简单，但复杂分子的转动模式很多，使得每条辐射线的亮度相对较弱，不太容易观察到。

随着天文仪器的灵敏度越来越高，在实验室中测得的、用于比较的分子光谱数量越来越多，科学家在星际空间中探测到的分子种类也在迅速增加，发现了更多结构复杂的分子。目前探测到的星际分子种类已经从50年前的个位数增加到最近的200多种。进入21世纪后，绿堤望远镜(GBT)、阿塔卡马大型毫米波和亚毫米波阵列(ALMA，也是中研院研究建造的)等新仪器陆续投入运行，搜寻复杂有机分子的成果进展迅速。

尽管迄今为止发现的复杂有机分子并没有与生命的起源直接联系起来，但天文学家仍在继续寻找与生命有关的分子。例如，许多学者试图在星际空间中寻找甘氨酸。甘氨酸是一种结构相对简单的氨基酸，是构成人体蛋白质的成分之一。如果能找到这种分子，有望帮助我们把握生命起源的线索。

20世纪60年代，天文学家在星际空间中探测到的分子种类数量仅为个位数。随着射电天文学的发展，如绿堤望远镜和ALMA的发射，到2021年已经发现了200多种分子，而且数量还在不断增加。图/McGuire 2021，上世纪90年代在arxiv

在猎户座星云侦测到新的「热微核」

中发现的许多复杂有机分子，都是在大质量恒星诞生的区域发现的，被称为“热分子核”或“热核”。发现热核后，天文学家进一步思考：在类似太阳系的小质量恒星诞生区，是否也能发现复杂的有机分子？

自2004年以来，科学家们确实在小质量恒星诞生的区域发现了一些复杂的有机分子。与“热核”相比，这些天体的体积和质量都较小，因此被称为“热核”。

卢圣元指出，无论“热核”还是“热微核”，所谓的“热”与普通的云相比，其实是比较高的。一般分子云只有10度左右的绝对温度(10K，约-263)，非常冷。

而热（微）核可达大约 100K 至 200K（约 -173℃ 至 -73 ℃）。在恆星形成的过程中，部分云气密度变高，同时被加热，于是可在毫米波与红外线波段看到比较亮的区域，而「热微核」就是相对高温的緻密区域。

2020 年，台湾大学的博士生许世颖和吕圣元合作发表论文，登上《天文物理期刊》（The Astrophysical Journal），他们在猎户座大星云侦测到了 4 个新的热微核！在此之前，已知的热微核并不多，只有不到 20 个，主要出现在经常被观测且已知的明亮恆星形成区。

吕圣元研究团队採用全然不同的途径，不去观测已知的恆星形成区，而是像矇着眼睛般，普查猎户座星云中之前没被发现、或是尚未被详细研究过的恆星形成区域，结果就发现了里面的热微核。这项重要发现受惠于 ALMA 望远镜的高灵敏度，故可侦测到过去可能无法被看见的讯号。

事实上，帮助吕圣元团队找到热微核的这项 ALMA 观测计划，最初的目的并非寻找複杂有机分子，在吕圣元团队看过光谱之后，才发现热微核就在其中，可说是意外的惊喜。

那么，侦测到新的热微核意味着什么？

宇宙中可能更普遍存在複杂有机分子

热微核并不是所有恆星形成区域都能看到，但是看不到热微核的地方是真的没有热微核，或者只是我们「视而不见」呢？

吕圣元团队研究发现，目前找到的热微核，大多仍出现在总亮度相对比较亮的恆星形成区。为什么比较亮的地方才看得到热微核？许世颖和吕圣元等即将发表的新论文提供了解释：明亮的原恆星附近辐射比较强，因此可造成範围较大的热区，使得热微核较容易被看到。

吕圣元进一步说明，依照目前主流的了解，複杂有机分子经常在星际尘埃表面的冰晶形成。在热区之中，冰晶中的分子得以挥发成为气态，而能被人们透过分子转动光谱观测到。明亮的原恆星附近造成较大的热区，可能就是比较容易观测到热微核的原因。

如果以上的解释正确，就表示目前找到的热微核数量，可能只是冰山一角。可能在更多的恆星形成区都有热微核存在，只不过有些热微核尺度不够大，所以在目前仪器的灵敏度下没能侦测到。

吕圣元团队运用 ALMA 望远镜的高灵敏度观测，确实已在一些过去没有看到热微核的地方，找到了较黯淡的热微核，能够支持以上的推论。也就是说，可能许多恆星形成区都有热微核，或者说複杂分子的分布比原先想像更加普遍。

最近还有其他研究发现，在恆星诞生之前的冷云气中也侦测到複杂有机分子。也就是说，云气还没有加热之前，複杂有机分子就已经在气态中。这表示可能有除了原恆星加热外的其他管道将冰晶中的複杂有机分子释放出来，或是有其他的化学反应机制来形成複杂有机分子。

持续寻找生命起源的线索

複杂有机分子与生命起源的关联，虽然尚未有明确答案，但天文学家持续探讨这类分子的相关形成机制。吕圣元团队中的博士后研究员沙德培（Dipen Sahu），近期主导研究甘胺酸的同分异构物——氨基甲酸甲酯（Methyl carbamate）在热微核环境的形成机制。这项研究考虑了相关的化学反应，利用天文化学模型，计算出恆星形成区此分子的含量，推导的结果与针对热微核量测出的分子含量上限一致。

吕圣元也谈到複杂有机分子与生命起源研究的展望。他认为，这些研究值得以跨领域的方向来发展。国外有些研究单位，已能结合冰晶实验、化学、天文观测来研究複杂有机分子，而国内的学者在各个相关项目也有专长。长远来说，如果要研究生命起源，则需结合天文学与生物学的知识，朝着「天文生物学」的方向发展。

天文学家利用 ALMA 望远镜的高灵敏度、高解析度观测，不但在星际中找到更多种类的複杂有机分子，也在更多恆星形成区发现了富含複杂有机分子的「热微核」。这些分子最终能否留在它们的太阳系，还有很多关卡要过。未来更进一步的科学研究与发现，将能帮助人们釐清星际中的化学过程，继续向前一步回答生命起源的大哉问。

注1：一般指该分子成分相对于氢分子（H₂）的数量。好比最常见的一氧化碳分子（CO），其在星际分子云中的丰度大约是10^-4，也就是大约每 1 万个氢分子才有 1 个一氧化碳分子。

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