新發現的氧化學反應可以幫助我們尋找外星生命

這類反應應該可以在火星的高層大氣層中觀測到

生命活動？離子碰撞？大氣中的氧氣從何而來？

圖一：各種類型的系外行星想象圖。（圖片來源：NASA/JPL-Caltech）

科學家們最近發現了一種全新的氧氣合成渠道，即在富二氧化碳的行星大氣中，通過離子碰撞生成氧氣。這一發現挑戰了人類目前搜尋地外生命的假設，甚至會改變我們對生命起源的認識。“在系外行星上尋找生命或者生命跡象的大部分研究都說明，我們所觀測到的任何證據都存在非生命活動的產生渠道。這項研究揭示了另一種之前不被大家看好的分子氧合成渠道。”

赫爾大學E.A.米爾恩天體物理中心分子物理和天體化學高級講師戴維·貝努瓦（David Benoit，未參與這項研究）告訴我們。由于生活在海洋中的藍藻開始通過光合作用產生大量氧氣，在大約二十四億年前的氧氣災變期間，地球大氣層中的氧氣含量大幅上升。在此之前，地球上原始大氣的主要由二氧化碳構成，氧氣只占一小部分。

中國科學技術大學田善希和胡杰領導的研究小組講道：“這些氧氣分子完全可能是通過非生物過程產生的。”他們對原始大氣中的氧氣增豐過程非常感興趣，并在近期報道了一種新的氧氣合成機制。同時，部分研究人員則認為氧分子可以由兩個氧原子之間的“三體結合”反應生成，或者由二氧化碳在紫外線下分解而來。而還有些人認為，氧分子也可能是通過某些電子的特定反應產生。

該研究小組發現了一種截然不同的氧氣合成途徑，可以從二氧化碳分子中產生。即，通過氦離子與二氧化碳的化學反應。大多數氦離子由太陽風中的alpha粒子與高層大氣中的分子相互作用產生，過程中產生的帶電粒子-離子隨后進一步與二氧化碳反應，最終生成氧分子。“這種反應過程應該可以在火星的高層大氣中觀測到，因為那里同時存在大量氦離子和二氧化碳。”胡杰進一步解釋道。 然而，盡管研究已經證實這類反應可以在火星的電離層中發生并產生大量的離子，比如O+，O2+，和CO2+，但是仍然沒有已知的觀測表明氧分子可以通過這種渠道產生。

科學家們使用飛行時間質譜法來分辨不同的離子。這種技術通過測量氣相離子在質譜儀內行進相同距離所需要的時間來確定其荷質比。其原理為，在已知強度的電場加速下，由于不同離子的荷質比不同，獲得的速度也不同，因此會在不同的時間抵達探測器。田善希和胡杰的研究小組則更進一步，將飛行時間質譜法與“交叉分子術法”、“離子速度圖”相結合，試圖闡明合成氧分子的任何可能機制。在該裝置中，兩束粒子-二氧化碳和氦離子在受控狀態下相遇、碰撞并發生反應。反應產物會被電離，而后通過質譜法確定其荷質比。同時，離子速度圖會記錄離子們的速度和軌跡，提供與它們能量相關的詳細信息。總而言之，該團隊能夠重構反應路徑，并更好的理解氧氣如何從這兩種原材料中產生。

“這一發現非常有用，它表明，我們在太陽風中看到的這種能級的氦，與二氧化碳碰撞后可以產生氧氣。數年前，該團組研究表明該過程的效率似乎與二氧化碳和低能電子的碰撞效率相當。”貝努瓦補充道。由于地球上的生命與氧氣濃度密切相關，科學家們一直將行星大氣中的氧氣視作星球宜居度的衡量標準，尤其考慮到地球上的大部分氧氣的合成渠道都和生命活動相關。然而，這項研究表明氧氣也可以在非生物過程中產生，或者說不依賴于生命體活動。因此，如果類似的機制可以在富含二氧化碳的行星大氣中起作用，那么就算沒有生命，氧氣也可以大量產生。

這一發現并不意味著天文學家會草率的下結論，也不是說之前在系外行星尋找生命跡象的努力由于假陽性信號而全部白費。貝努瓦強調，天體化學與實驗觀測將對這些發現進行交叉檢驗。例如，如果在系外行星上同時探測到了二氧化碳、氦氣和氧氣，就可以驗證它是氧氣合成的重要途徑。貝努瓦還補充道：“未來，這一機制很有可能會被納入行星大氣的理論模型中，幫助我們更好的解釋天文觀測中探測到的行星大氣中的氧豐度。”

BY: Victoria Corless

FY: Amberoid

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