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太空中發現雙氧水,地球之水來源有解?

臺北天文館_96
・2011/07/13 ・1179字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

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天文學家首度在星際空間中現過氧化氫(hydrogen peroxide,H2O2),也就是俗稱的「雙氧水」。這項發現不僅顯示與生命密切相關的兩種分子—水和氧—之間有密切的化學關連,而且或許可以解開地 球之水的起源。在地球上,大氣中的過氧化氫在水和臭氧的化學反應中扮演著重要的角色,過氧化氫也常用在消毒與漂白的用途上。

瑞典Onsala太空觀測站(Onsala Space Observatory)天文學家Per Bergman等人,利用歐南天文台(ESO)位在智利安地斯山脈中海拔5000公尺高Chajnantor高原的APEX望遠鏡(Atacama Pathfinder Experiment telescope),以毫米(millimetre)和次毫米(submillimetre)波段觀察約400光年遠的蛇夫座rho星(Rho Ophiuchi,心宿增四)附近區域。這個區域包含溫度很低(約攝氏零下250度)的濃密氣體塵埃雲,是個恆星誕生區,蛇夫座rho星應該就是從這片雲氣中誕生的。這片雲氣的組成成分絕大部分是氫,但還含有其他微量化學分子,因此成為天文學家在太空中獵取分子的首要目標之一。Bergman等人就是在這 片雲氣中發現過氧化氫的蹤跡。

Bergman表示:他們已經從實驗室的各項實驗中瞭解他們要尋找的過氧化氫的波長是多少,然而由於蛇夫座rho星雲中的過氧化氫非常少,約每100億個氫分子,才有1個過氧化氫分子,所以得非常小心且仔細的觀測,才能偵測到過氧化氫。

過氧化氫對天文學家和化學家而言都是個關鍵分子,因為它的形成與氧和水都有密切相關;這兩種分子都是地球生命的關鍵基礎分子。又由於地球上絕大部分的水可能源自太空,科學家就更想知道水由何而來。

太空中的過氧化氫很可能是在宇宙塵(cosmic dust)顆粒表面形成的;宇宙塵是非常細小的塵粒,類似沙土或煤灰。當氫(H)原子加入氧分子(O2)時,便會形成過氧化氫。由於過氧化氫比水 (H2O)還多一個氧原子,所以當過氧化氫再與另一個氫進行化學反應時,便可產生水。所以,在蛇夫座rho星雲中發現過氧化氫,代表著宇宙中的水很可能是 藉由這樣的過程產生的。這項發現的另一個重要之處,就是或許可以協助天文學家瞭解:為何太空中這麼難以發現氧分子?

地球上熟悉而常見的元素或分子,科學家並非全都清楚它們的來源,Bergman等人的發現,顯示宇宙塵或許就是那個「失落的環節」。若能了解這些重要 分子的起源,或許就是瞭解地球生命起源重要的關鍵所在。因此,天文學家們計畫未來要利用解析度更高的ALMA電波陣列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array),繼續在蛇夫座rho星雲中搜尋這些關鍵分子。

蛇夫座Rho星(頁首影像中偏上方的亮星)位在蛇夫座和天蝎座的邊界,鄰近天蝎座主星心宿二(影像下方的橘黃色恆星)和M4星團(心宿二右方一團星星 聚集的地方)。此處星雲色彩斑斕,有「星空調色盤」之稱,是天文攝影愛好者最喜歡拍攝的目標之一。雖然蛇夫rho亮度約5等,以肉眼即可見,但它周圍的雲 氣得用天文攝影的方式才能顯現出來。紅色圓圈標示的就是此研究觀測的目標區域。

資料來源:Hydrogen Peroxide Found in Space [2011, 07, 06]

引用自臺北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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為何人類對火星如此執著?火星曾有過生命嗎?——《有趣的天文學》
麥浩斯
・2022/04/24 ・1975字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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火星 vs. 地球

長久以來,人類對火星充滿好奇,火星上有沒有水?那裡住著火星人嗎?這些未知,讓人類發射各種探測器和太空船前往火星,希望一探火星的奧秘!

超級巨大火山

奧林帕斯山是太陽系裡最高的火山,它比地球上最大的茂納開亞火山(MaunaKea)還巨大,如果從火山底部算起,奧林帕斯山大約是茂納開亞火山高度的兩倍半!火星的直徑大約只有地球的一半,為什麼火星上的火山卻可以長得比地球上的還高大呢?

夏威夷大島上的茂納開亞火山屬於熱點(hotspot)火山,這類火山的岩漿來自地函,熱點的岩漿從地函往上穿出地殼形成火山。因為板塊運動,地球的地殼會移動,這造成熱點穿出地殼的位置改變,時間久後,會形成一長串的火山,其中最有名的例子是夏威夷火山群島。

夏威夷群島的大島上有幾座活火山,目前大島就位在熱點上,夏威夷群島的其他火山年齡都比大島上的老,而且離大島愈遠愈老。

地函熱點往上冒出地殼會形成火山,因為板塊運動,熱點穿出地殼的位置會改變,所以地球上會形成一長串的火山島鏈。火星上沒有板塊運動,熱點冒出的岩漿不斷在地殼上重複累積,形成比地球上高大的火山。圖/麥浩斯出版

地球上因為板塊運動,熱點火山不會長得太大,長到一定程度,就會因為板塊運動移開熱點,沒有熱點提供岩漿,火山就會停止長高、長大。

火星跟地球不同,火星沒有板塊運動,地函的岩漿會在地殼上同一個熱點冒出,岩漿在同一熱點一直堆積長高,所以火星上的火山才會比地球上的巨大。

磁場很重要

根據科學家研究,火星早期有較厚的大氣,溫度適中,甚至表面有河川流水,跟目前的地球很類似。那為什麼火星現在會變成乾燥無水、充滿紅色沙塵的行星呢?

火星早期曾經有磁場,後來磁場消失,讓火星大氣失去防護,漸漸被太陽風剝離吹散。火星大氣壓力變小,地面上的液態水都變成大氣中的水蒸氣,大氣中的水蒸氣被太陽紫外線分解成氫和氧,流失到外太空,最後水漸漸從火星表面消失。目前火星地表的大氣壓力大約只剩地球的百分之一,而且還持續流失中!

科學家對火星磁場消失的原因還不是很清楚,有一種說法認為可能跟火星比較小有關。它的核心更小,所以散熱較快,造成外核的液態鐵凝固。外核的液態鐵凝固讓火星的磁場消失。

從火星的研究和認識,我們才明白地球原來如此特別!

真的有火星人嗎?

人類對火星上有沒有生命充滿想像,其中最有名的可能是帕西瓦爾.羅威爾(Percival Lowell)「看見」火星運河。

羅威爾是一位美國富豪,對火星非常著迷。1890 年代,他用自己建造的天文台觀看火星,並將透過望遠鏡看到的火星描繪下來。羅威爾認為他看見火星上有許多運河,建造運河是為了把南北兩極的冰運送到乾涸的赤道,這是火星有智慧生物存在的證據。

目前火星的表面沒有穩定流動的水,不過火星上的水可能在地底下,科學家推測火星生命可能潛藏在地底。圖/麥浩斯出版

1965 年,美國的水手 4 號太空船飛掠火星,發現火星表面一片荒蕪,根本沒有羅威爾宣稱的運河和火星生命。不過,火星有生命存在的想法太吸引人,人類還是不斷用各種方式探索火星,尋找生命。

為什麼我們對火星這麼執著呢?一方面是科學上的原因,希望找到地球外的生命形態,不管這種生命形態是不是跟地球一樣,都是非常重大的發現;另一方面可能是情感上的因素,不希望地球是宇宙中唯一有生命的地方,孤單僅有的存在。

依據地球上的經驗,只要有水的地方幾乎都找得到生命,水成為生命的重要指標。火星早期比較溫暖,地表有水流動,所以火星過去可能有生命存在。科學家認為火星上最可能出現的生命是微生物,因為水存在火星表面的時間並不長,無法演化出太複雜的生命形態。

目前火星表面已經沒有穩定流動的水,不過水還是有可能存在地表下,所以,生命有可能還在火星地底存在著。人類不斷探索火星,不久的將來人類也會登上火星,到時候火星有沒有生命的問題,可能就會有答案。

──本文摘自《噢!原來如此 有趣的天文學》,2022 年 3 月,麥浩斯出版

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水的性質國中不是學完了嗎?竟然還跟「量子效應」有關?
linjunJR_96
・2021/10/03 ・2111字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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圖/Pixabay

水這種物質看起來再平凡不過。人們每天洗澡、澆花、游泳、沖咖啡,無時無刻不跟水相處在一起。人體中還有地球表面上大部分都是水,事實上,它可是宇宙中第三多的分子。

不過,時至今日還是有許多頂尖的科學家在進行水的前沿研究。你以為他們領了政府與學校的研究經費,是為了探索未知的星系或癌症的解藥,但他們其實在研究無聊的水。這可不是因為他們是薪水小偷,而是水分子雖然十分常見,但它的許多獨特性質在科學上還未有定論。

三態間的未解之謎

你可能會覺得:「水的性質不是國中就都教過了嗎?」。不過就跟所有其他東西一樣,事情並沒有課本寫得這麼簡單。從固態的冰講起,就有十幾二十種結晶型態。就像石墨加壓會變成鑽石,普通冰塊在高壓下也會轉變成其他的結構。另外,關於過冷(低於冰點卻不結冰)這種奇怪的現象,至今也還沒有完全清楚的實驗和理論圖像。

結冰的過程已經這麼捉摸不定,蒸發更是如此。雖然我們知道衣服晾在外面會乾,但對於水蒸發的速率,卻沒有一個精準的描述。水的蒸發是源自分子碰撞時,某些分子被撞出液態的水,因此蒸發速率可以寫成分子碰撞的多寡乘上某個實驗常數。要決定這個實驗常數聽起來像是個簡單的高中科展題目,但以往的許多結果卻時常出現分歧,差距高達三個數量級(也就是一千倍)!

我們經常以水作為物質三態變化的例子,但其中的細節其實還有待研究。圖/WIKIPEDIA

如果想用電腦進行理論模擬則會出現另一個問題,例如我們模擬 18 公克的水如何蒸發(喝水一口都比 18 克還要多),就必須同時計算 6 × 1023 個水分子的狀態,以目前的電腦運算力難以負擔。想要解決蒸發的難題,需要一些相當進階的實驗與理論方法,而這也是科學家目前正在努力的方向。

除了轉變至固態與汽態的過程之外,就連最普遍的液態水也有許多捉摸不定的型態。科學家在瞬間結冰的水中發現兩種結構,兩者密度高低不同。由於瞬間凝結的冰沒有時間排列成整齊的固態晶格,所以能夠保留原本液態時的分子排列模式。也就是說,原本的液態水也有分兩種結構。這種結構上的差異被認為與過冷機制密切相關,相關的實驗不久前也剛登上 Nature 期刊 [1]

水分子間的量子效應

要對水的這些奇特性質建立更好的理解,得先了解水分子微觀上的交互作用。水分子是由一顆氧跟兩顆氫組成一個米奇形狀,其中氧帶較多負電,氫帶較多正電,所以相鄰的水分子會感受到來自鄰居的吸引力,也就是所謂的「氫鍵」。靠著分子間的氫鍵,水才能夠組成上面提到的各式結構。

水分子間的氫鍵(標示 1 處)3D 模型。圖/WIKIPEDIA

不過,用來解釋氫鍵的質子與電子,都是量子力學適用的尺度,而氫原子的嬌小身材,讓其中牽涉到的量子效應變的特別顯著。有許多人認為,如果將量子效應納入水分子結構理論模型,或許就能解釋水展現出的諸多特性。近期,史丹佛直線加速器中心(SLAC)的實驗團隊首次對水分子氫鍵的振動進行直接觀測,從實驗上踏出了重要的一步。

發生在皮秒間的氫鍵震盪

這次實驗首先得射出一道比頭髮細一千倍的迷你水柱,作為探測的樣本。在這麼細的水柱中,每個截面可能只有幾萬個水分子。水柱中的分子間氫鍵被外加的雷射刺激並進行振動,實驗團隊接著便能用高能量的電子束作為「探測槍」,利用電子束散射的結果,分析水分子每個瞬間的分子結構。

圖/Pexels

這種觀測方法可以達到分子等級的解析度,而這次實驗直接聚焦在三顆水分子之間的拉動牽扯。受到雷射刺激時,氫原子會先將鄰近的氧原子拉近,再拉開距離,一切都在幾皮秒(10-12 秒)內發生。針對氫鍵長度的這種收縮震盪,研究團隊進行了一系列的探索。

透過電腦模擬,他們發現氫鍵拉扯的幅度比較符合加入量子力學的模型,為水分子結構的量子效應提供初步的證據。

拉開水分子量子性質的研究大門


以往研究分子結構需要仰賴光譜學的間接轉換,而以皮秒為單位在進行震盪的微小氫鍵,在實驗觀測上是一大挑戰。這次的裝置首次對液態水的氫鍵距離震盪做出直接的測量,也為科學家開啟更多的機會,去檢驗氫鍵的量子性質對於水的結晶和蒸發等過程有什麼影響。

關於水,我們還有許多不知道的事。也因為如此,網路上常常能看到「小分子團水」,「能量水」等等的健康廣告,讓大家看得不知是真是假。隨著目前研究持續進行,或許很快就要有「量子水」上市了。

參考資料:

  1. https://pansci.asia/archives/194118
  2. Yang, J., Dettori, R., Nunes, J.P.F. et al. Direct observation of ultrafast hydrogen bond strengthening in liquid water. Nature 596, 531–535 (2021).
  3. https://www.sciencedaily.com/releases/2021/08/210825113614.htm
  4. https://nautil.us/issue/25/water/five-things-we-still-dont-know-about-water
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linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。