20020816背景資料

(編輯自過去介紹中研院原分所星際化學實驗室文宣)

在古老的年代，人們在觀測夜空時除了著迷於滿天的繁星外，許多細心的人都會有著這樣的疑問：在星星與星星之間是不是就如同我們肉眼所見到的，大部分的地方都是空無一物呢？後來隨著觀測技術與望遠鏡解析度的進步與提昇，過去模糊無法看清的星雲結構開始呈現在觀測者面前，人們才知道原來這些瑰麗璀璨的星雲，是因為有許多氣態與固體的分子瀰漫在星際物質（ISM, interstellar medium）中，反射、散射或遮蔽附近恆星的光線所造成的，而像這樣能讓我們直接見到的，不過只是所有星際物質的一小部份。

圖一 位於獵戶座的馬頭星雲，明亮部分是氣態星際物質散射周圍星光所致，而濃密的固體星際物質因阻擋後面星光因而看起來是一片黑暗

近年來，除了如上圖獵戶座中接近恆星的星際物質幸運可以比較輕易地被觀測到之外，我們蒐集到了越來越多星際物質的確存在於宇宙各處的證據。例如我們嘗試用掩星的觀測來確認接近太陽系不遠處星際物質的存在，這些接近太陽系的星際物質若碰巧進入太陽系中便成為我們熟悉的彗星。而不可見光觀測技術的發展，則讓我們能夠鑑別它們的組成分子與相對含量以及溫度、密度等特性。

化學在天文的領域中開始佔有重要地位是從星際物質的研究漸趨重要開始。星際物質在宇宙中的所佔的質量比一直是科學家關切的事情，因為理論上這可能與宇宙未來的命運有關；此外，新恆星的形成與似太陽系系統的生成一般也都認為是發生在高密度的分子雲（高密度的星際物質）中﹔而像彗星般大小，冷而小的星際塵埃，因為擁有相當豐富的有機分子，也被認為可能是地球生命的來源。

既然大部分的星際物質我們並無法直接觀測，有關它的在宇宙中的含量與組成等等的問題就非常需要化學家從現有的資料中設法推測，它與其他的天文問題不同的是它處理的是低溫、低壓、而且常會遇到分子結構相對複雜（長鏈的碳氫化合物等）的對象。所以有關分子反應的知識在此領域內就相當重要。

就目前所知，我們星系總質量的10%左右是星際物質，而其中星際物質的99%是氣態，另外1%是以固體狀態存在。它的最主要成分是氫（93.38%）與氦（6.49%），氧、碳、氮共占0.11%，其餘成分占不到0.02%。

在氣態的星際物質中，從微波、紅外光與紫外線的觀測資料中我們已經成功確認了123種分子（2002年四月資料，http://www.cv.nrao.edu/~awootten/allmols.html），但是因其處於低溫環境與技術的限制，固態的星際物質我們所知就比較有限，至今除了其主要成分H2O外，只確認了CO、CO2、CH4、OCN-、H2CO、OCS、CH3OH共八種分子。值得注意的是，氣態與固態的星際分子有著相當密切的關聯性，氣態中許多存在的分子一般相信先是在固態的塵埃中形成，而在生成後因為某種原因散到四處才為我們所偵測。

時至今日，雖然觀測技術與設備不斷的更新，但對於這些不管是氣態或固態星際物質的生成與演化，我們離了解還有一段相當遙遠的路。而這也是我們實驗室成立的目的。

另一方面，太陽系行星與土星衛星泰坦的大氣也是我們實驗室研究的重點。類木行星大氣以氫及甲烷為主要成分，泰坦則擁有以氮與甲烷為主要成分的濃厚大氣層，一般相信與原始地球近似。這些星球的大氣層是我們要了解星際的化學反應非常重要的依據，可以說是距離地球最近的活實驗室，因為它們距離地球夠近，我們尚有可能派太空船直接獲取我們需要的資料，並確認我們的假設。如果我們能夠充分了解這些分子生成與演化的歷程，尤其是泰坦的大氣層，我們將獲得有關地球大氣的演變甚至地球上生命的演化過程更為可靠的資訊。這或許可以幫助我們解開地球生命來源的奧秘。

(a)

(b)

　

圖二 35吋交叉分子束儀器 (a)外觀 (b)內部構造示意圖

在我們實驗室中有兩個重要的儀器，一為35吋交叉分子束儀器，另一個為宇宙射線模擬器。35吋交叉分子束儀器，名稱中35吋來自它儀器設備上方可轉動圓盤的直徑，即圖(b)中右下方偵測器（detector）可自由轉動的直徑；交叉分子束則意謂此實驗是經由兩反應物加速呈90度對撞，經由紀錄各產物對角度分布的情形、與各產物的速度分布情形，進而了解化學反應反應機制的一種研究方法。

使用35吋交叉分子束儀器我們主要在模擬氣態星際物質的反應與星球大氣中的反應，比較特別的像是前幾年Shoemaker-Levy 9（SL9）彗星撞擊木星時，經由觀測發現有許多硫化物（CS etc.）出現，其相對含量與反應熱便與我們實驗室的模擬相符。為了因應2004年抵達，美國太空總署與歐洲太空總署合作的Cassini/Huygens泰坦探測計劃，讓操作太空船的科學家們及早了解及擬定觀測計劃，現在此儀器的時間主要是放在與泰坦大氣相關反應的研究上。

(a)

(b)

　

圖三 宇宙射線模擬器 (a)外觀 (b)內部構造示意圖

宇宙射線模擬器則是研究固態星際物質的利器，除此之外它也可以應用在行星與衛星表面冰晶中化學反應與分子形成的研究。在這些冰晶中，除了無位能障的化學反應能發生之外，外來宇宙射線（高能的粒子與離子）射入晶體中時所引起的原子碰撞與重新排列，也會產生許多特殊的分子。譬如近年來開始被大量觀測與研究的多環狀之芳香族碳氫化合物（PAHs, Polycyclic Aromatic Hydrocarbons）的形成，前述的宇宙射線觸發反應就被認為是其主要的生成過程，但尚無定論。我們實驗室現正使用兩部儀器分別研究之。

在此儀器中，我們以離子槍模擬宇宙射線，將我們調配好的冰晶置放於中央，並讓其處於低溫（~10K）低壓（~10-10 mbar）下，實驗開始後便以紅外線光譜儀（FTIR）量測冰晶中所產生的新分子，而對揮發性的氣態產物則以質譜儀監測揮發到冰晶外的分子。

如前所提，現在天文學家正在等待的重要太空任務之一就是預計2004年抵達土星的Cassini/Huygens，當Cassini太空船到達土星時，將會把探測船Huygens 投入泰坦的大氣層內，使其降落在泰坦的表面。因為泰坦的大氣相當濃厚，其地表的大氣壓力約為地球的160%，且經實驗模擬發現其因大氣中含有一種名為Tholin的暗色有機混合物，而使之呈現橙黃色。這次任務將是我們首次真正深入泰坦的大氣去偵測，當資料傳回地球時相信會解答（同時也引起）許多的疑惑，尤其是有關生命演化的問題。

對此任務，因為我們已經知道泰坦大氣中擁有許多碳氫化合物與CN有關的化合物（RCº N），且上層大氣因為受到宇宙射線與太陽風中帶電粒子撞擊的影響，會解離產生像CN自由基等容易發生反應的分子。於是我們實驗室為了研究泰坦大氣各層的反應，便著手模擬許多與CN、C2H自由基相關的實驗，並研究長鏈碳氫化合物合成。但面對像Cassini/Huygens 這種龐大的觀測計劃，我們實驗室所能提供的只是最基礎的化學反應資料庫與預測未知新分子，離真正建構泰坦大氣模型還有相當遠的距離，要真正解答問題，需要各相關學科的通力合作才行。

星際化學是一門年輕的學科，星際物質與行星大氣的研究也仍然存有相當大的未知空間。已經有許許多多報告與實驗指出，生命的基礎¾ 胺基酸，極有可能存在在太陽系早期的泰坦、以及冷暗卻富含有機物的星際物質中。解開星際物質與行星大氣的迷團，很有可能同時就能夠解開地球生命來源之謎！星際化學實驗室的任務就是要朝著這未知領域繼續前去。