2018年9月28日

從初生恆星提取太陽系的過去- 用天文化學解開生命起源之謎

呂聖元/中央研究院天文研究所副研究員。

今(2018)年1月,阿塔卡瑪大型毫米/次毫米陣列望遠鏡(Atacama large millimeter∕submillimeter array, ALMA)天文台發表了一篇新聞稿,當中提到天文學家利用ALMA觀測到在大麥哲倫星雲(Large Magellanic Cloud, LMC)中,發現其中的雲氣裡包含著甲醇、乙醚以及甲酸甲酯等複雜的有機分子。在這個資訊爆炸、新聞種類五花八門的時代裡,ALMA的新發現乍聽之下可能很不起眼,且對於身處於北半球的臺灣人來說,位處南半球天空的大麥哲倫星雲確實顯得有些陌生。然而,讀者在仔細斟酌後可能會發現,這樣一則小小的新聞中其實藏著許多學問,像是天文學家探測遙遠天體中化學成分的方法及這些有機分子的存在所代表意義等。

ALMA天文台位於太平洋東岸、南美洲狹長國度智利北部海拔5000公尺的荒漠高原上,乃是由包括亞洲、北美與歐洲等約20個國家所共同合作興建的一組望遠鏡。透過66座直徑7~12公尺的天線連結,ALMA擁有著強大的集光效果,卓越的靈敏度也使其成為當今全球最先進的無線電波望遠鏡。作為一架毫米與次毫米波望遠鏡,ALMA非常適用於觀測星際雲氣中的分子與塵埃粒子。

屬於天文學家的週期表
大麥哲倫星雲距離地球(或太陽系)約16萬光年,是人類所處銀河系旁最近的鄰居,雖因其在天空中看來像一團彌散的雲氣而被稱作星雲,但其實大麥哲倫星雲的質量堪比數百億個太陽,也可以算是銀河系的衛星星系之一。該星雲的特別之處,或許得從天文學家的週期表來看(圖一):氫(H)、碳(C)、氧(O)等的所有元素符號,都和我們一般在學校中學習的元素相同,但是每個元素的圖案的大小不同,大致表示與突顯各個元素在整個宇宙中的含量比例。

圖一:天文學家的週期表。

按圖所示,宇宙元素組成以氫(大於90%)與氦(將近10%)為主,這些氣體於宇宙初始的大爆炸後不久產生;而原子量比兩者大的「重」元素,如碳、氮、氧、鎂、鋁、矽、硫和鐵等,一般被天文學家統稱為「金屬(metal)元素」,主要透過後來恆星內進行的核融合反應合成。也就是說,星際空間中金屬元素的含量,反映著物質所歷經恆星誕生與死亡循環的多寡。恆星的核融合反應不斷合成新的金屬,而恆星死亡時產生的恆星風或超新星爆炸,則會將內部金屬元素拋散回星際空間中,若經歷多次循環,星際空間中氣體的金屬成分也就會累積得越多。值得注意的是,大麥哲倫星雲中的金屬成分只有太陽系的30~50%,而這看來僅有些微差距的「低金屬」特質 ,其實代表著該星雲目前的狀態比太陽系周遭更接近宇宙較早期、星系還年輕且尚未經歷太多次恆星演化的環境,這也讓人們有機會探索這種不同條件下的天文現象。

或許有人會問,宇宙中是否存在我們日常稱之為金屬的元素,以「宇宙金屬元素」來說,即使是含量最豐富的碳、氮與氧,所佔比例都不及氫的1%,故其他真正的金屬在此表中就更顯得微不足道了。

星際分子的特徵
星際雲氣中可能包含各種分子氣體,這些分子在空間中自由轉動;透過吸收或釋放能量,分子的轉動可以變快或變慢。就像每個人具備獨一無二的指紋一樣,不同的分子在轉動間的變化也對應著不同的特徵能量,因而在它特有的波長(或頻率)吸收或發出光線(電磁波),這些光線即是所謂的「譜線」。由於絕大部分分子轉動時的譜線,正好落於電磁波譜中的毫米與次毫米波段,故可透過ALMA來觀測;之後,天文學家再將測量到的譜線,與已知的各式分子特徵譜線資料相比對,便能認定特定分子的存在。

有賴於ALMA的高靈敏度,天文學家從大麥哲論星雲中,偵測到2處正形成恆星的星際雲氣內分子氣體所發出的微弱訊號,並透過譜線資料的比對,進而認定這些譜線是由包括甲醇(CH_3OH)、乙醚(CH_3OCH_3)以及甲酸甲酯(HCOOCH_3)等分子所發出(圖二),這也是人類第一次觀測到銀河系外的另一星系中,存在複雜有機分子的信息。

圖二(S. Andrews (Harvard-Smithsonian CfA), ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), https://bit.ly/2Qz2STX)

多采多姿的星際空間
如今,透過類似的分子譜線觀測研究,天文學家們已在銀河系內的星際與環星介質(interstellar and circumstellar medium)中,發現近200種不同的分子。這些分子有由2個原子所組成的雙原子分子,也有10多個原子所組成的長鏈或複雜結構的分子。有些分子是我們生活中就會接觸到的化學物質,包含一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO_2)、瓦斯主成分甲烷(CH_4)、工業酒精甲醇(CH_3OH)、酒類與食用酒精裡會出現的乙醇(C_2H_5OH)以及有醋酸之稱的乙酸(CH_3COOH)。若稍深入探究,也能在列表中看到許多由同樣的原子分別排列組成不同結構的「同分異構物」,如乙酸(CH_3COOH)、甲酸甲酯(HCOOCH_3)以及乙醇醛(HCOCH_2OH),皆由2個碳、2個氧和4個氫所組成。

簡單來說,「天文化學」就是以這些分子作為研究範疇。天文學以地球外之小如恆星、行星及其衛星,大至星系及宇宙等為研究主體,而化學則追求各種物質的組成、性質或其形成與消滅過程的學問,天文化學便是這2門學問很自然的結合,以推究在不同天體環境中,各式各樣的分子物質如何形成、演化或被消滅。

回到大麥哲倫星雲,在低金屬含量的環境下,不論是碳或氧這些形成有機分子的必要元素,都比在銀河系的環境下要少,因此人們可能合理猜測,在這個前提下要形成複雜有機分子,難度應該高出許多吧?然而,由美國瑟威羅(Marta Sewilo)博士領導的研究團隊以ALMA發現的結果讓人有些驚訝,若將低金屬的因素納入考量,在大麥哲倫星雲的環境中星際物質形成複雜有機分子的效率,並不亞於在銀河系內的星際雲氣。

原行星盤現「生機」?
最新一則與上述太空中複雜有機分子研究相關的新聞於今年7月發表,義大利法芙(Cecile Farve)博士帶領的團隊自伴隨長蛇座 TW星(TW Hydrae)的原行星盤(protoplanetary disc)(圖三)中發現甲酸分子。由於透過與甲酸反應,就有可能合成出更複雜的有機酸,故這次甲酸的發現,可說是一個階段性的突破,因為在螞蟻和蜜蜂的分泌液中都含有甲酸(故甲酸也被稱之為「蟻酸」)。作為最簡單的有機酸之一,甲酸分子中所帶的羧酸基,與醋酸或氨基酸的羧酸基是相同的。

而原行星盤是由分子氣體與星際塵埃組成,圍繞在年輕初生的恆星周圍,盤狀的構造主要肇因於氣體與塵埃環繞中央恆星的轉動。天文學家們相信,原行星盤是孕育行星的搖籃,盤中的氣體與塵埃顆粒慢慢地匯聚,透過自身的重力互相吸引成為微行星(planetesimal),再進而依據它們所處軌道位置、氣體與塵埃的比例不同,最終形成如太陽系一般有類地∕類木行星等性質不同的行星系統。

長蛇座TW星距離地球只有約200光年之遠,是1個質量很接近太陽,但年齡大概僅約千萬年的年輕恆星。這個系統相對距離較近,又很可能呈現太陽系初始的面貌,因此成為不少ALMA望遠鏡研究計劃的目標。約2年多前(2016年3月),ALMA的觀測便繪製出環繞長蛇座TW星周遭原行星盤的高解析度影像(圖三);圖中次毫米波段的連續輻射,是由原行星盤中微細的塵埃粒子所發出,由於這個原行星盤的盤面幾乎正面向地球,因此我們能對盤面的塵埃分佈一覽無遺。

圖三:著名的長蛇座TW星原行星盤,科學家在2016年於該行星盤檢測到有機物質甲醇。(Flickr-European Southern Observatory, https://flic.kr/p/JbXrtf)

值得注意的是,接近圓形盤面中心的塵埃輻射亮度較亮,越往外圈亮度則逐漸黯淡,這代表較多高溫的塵埃粒子分布於內圈,而外圍的塵埃粒子密度較低,溫度也較冷。盤面上許多細微的環狀裂隙令人驚嘆,這些在早期低解析度觀測圖像裡無法分辨出來的細節──盤面上塵埃粒子的分佈,因在行星軌道附近的塵埃粒子受到行星的吸附或牽引而出現了裂隙,正是行星可能已在這個盤面中形成的有力證據。

一直以來,天文學家都相當關注原行星盤中所蘊含的各種化學物質,特別是有機物質的多寡與演化。由於小行星、彗星以及行星都應該是自原行星盤中所孕育而成,原行星盤中所蘊含的物質,自然很可能被這些小天體所承接。天文學家至今已在原行星盤中偵測到將十多種分子。在2008年前,所偵測到的分子主要是以2~3個原子所組成,如一氧化碳、氰基自由基(CN)、氰化氫(HCN)等簡單分子;而近10年內則有不少重要的突破,包括如原行星盤中觀測到甲醇、氰基甲烷(CH_3CN)、亞環丙烯基自由基(c-C_3H_2)等5個原子以上組成的複雜分子,且皆由ALMA所觀測到的。的確,要偵測原行星盤中微量的有機物質並不是件容易的工作,即使是像長蛇座TW星這樣與地球距離較近的天體,仍由於原行星盤內氣體的總量不多,而需借重如ALMA極為靈敏的儀器進行研究。

恆星的演化造就出各式各樣元素,為宇宙添加了繽紛的分子化學。本篇文章中所介紹的2個近期與天文化學相關研究成果,暗示著不論是在如同早期宇宙年輕星系的環境,又或是鄰近我們太陽系,環繞著年輕恆星周圍的原行星盤,都存在著有機分子的蹤跡。如果將這樣的想法加以推廣,似乎暗示著宇宙中處處提供著合成複雜有機分子物質的管道,雖然這距離生命體的誕生還有好長的一段距離,但正如電影《侏羅紀公園》(Jurassic Park)中的經典台詞“Life finds a way.”,我們且看且走。


延伸閱讀
1. Marta Sewiło et al., The detection of hot cores and complex organic molecules in the large magellanic cloud, The Astrophysical Journal Letters, Vol. 853, No.2, 2018.
2. Cécile Favre et al., First detection of the simplest organic acid in a protoplanetary disk, The Astrophysical Journal Letters, Vol. 862, No.1, 2018.
3. Sean Andrews et al., Ringed Substructure and A Gap at 1 au in the Nearest Protoplanetary Disk, The Astrophysical Journal Letters, Vol. 820, No.2, 2016.