土卫六的甲烷之谜：揭开土星最大卫星大气层的秘密

新研究利用土卫六的大气层作为天然实验室，深入研究甲烷分子的化学性质--这种分子在地球上可能是生命的副产品。土卫六是太阳系第二大卫星，也是唯一拥有浓密大气层的卫星。在这个富含氮和甲烷的大气层顶部，太阳辐射产生了种类繁多的有机分子，我们在地球上也能发现其中的一些有机分子，它们是生命的基本单位--细胞的组成成分。

在土卫六大气层的上层（这里用蓝光表示），甲烷分子被阳光分解，重新组合成乙烷和乙炔分子。再往下，橙色的迷雾完全掩盖了地表。资料来源：NASA/JPL/空间科学研究所

由里斯本大学（Ciências ULisboa）天体物理学和空间科学研究所的拉斐尔-席尔瓦（Rafael Silva）和科学学院的硕士领导的一个国际研究小组分析了土卫六大气层反射的太阳光，首次确定了甲烷分子（CH4）在电磁波谱可见光波段中的近百个特征，这些特征对于在其他大气层中发现甲烷分子至关重要。

土星最大卫星的大气层将其表面隐藏在一层厚厚的、不透明的雾层之下。它们由有机分子和碳氢化合物组成，"体积很大，形成颗粒，就像地球上一些城市的大气污染一样，沉积在地表，"拉斐尔-席尔瓦补充说：拉斐尔-席尔瓦补充说："那里可能会有更有趣的化学反应"。图片来源：NASA/JPL-加州理工学院/空间科学研究所

此外，研究小组还发现了可能存在三碳分子（C3）的证据，这种分子可能参与了产生土卫六复杂分子的一连串化学反应--如果得到证实，这将是首次在行星体上发现三碳分子。

拉斐尔-席尔瓦说："土卫六的大气层就像一个行星大小的化学反应器，产生许多复杂的碳基分子，在我们所知的太阳系所有大气层中，土卫六的大气层与我们认为存在于早期地球上的大气层最为相似。"

甲烷的作用和光谱分析

甲烷在地球上是一种气体，它提供有关地质过程的信息，也可能提供有关生物过程的信息。这种分子在地球或土卫六的大气中存活时间不长，因为它很快就会被太阳辐射不可逆转地破坏。因此，在土卫六上，甲烷必须通过地质过程得到补充，如地下气体的释放。

这项工作带来了有关甲烷化学本身的新信息。在以前与甲烷吸收有关但从未单独划分的线段中，发现了甲烷在可见光波长（橙色、黄色和绿色）下的 97 条新吸收谱线。我们第一次知道了每条吸收线的波长和强度。

艺术家构想的土卫六表面。这颗土星的卫星是太阳系中最像地球的世界之一，尽管那里的温度高达零下 179 摄氏度。它是太阳系中唯一有湖泊的地方，但这些湖泊是碳氢化合物湖。这些分子只由碳和氢组成，就像地球上的水一样，参与甲烷循环、降雨、形成河流和蒸发。资料来源：NASA/JPL-Caltech

"即使在高分辨率光谱中，甲烷的吸收线也不够强，因为我们在地球上的实验室里没有足够多的气体。但在土卫六上，我们有整个大气层，光线穿过大气层的路径可能长达数百公里。"拉斐尔-席尔瓦说："这使得在地球实验室中信号微弱的不同波段和吸收线在土卫六上非常明显。"

了解甲烷分子的所有特征并将其编目也将有助于识别新的分子，特别是在化学性质如此复杂的大气中，由于分子特征的密度，即使使用高分辨率仪器，分析光谱也是一项挑战。

就这样，研究小组在海拔 600 千米的高空发现了可能存在三碳分子（C3）的迹象。在太阳系中，这种表现为蓝色发射的分子迄今为止只存在于彗核周围的物质中。研究小组在土卫六上发现的与三碳有关的吸收线很少，强度也很低，尽管这些吸收线是这类分子所特有的。

拉斐尔-席尔瓦说："我们对参与土卫六大气层化学复杂性的不同分子了解得越多，就越能更好地理解可能允许地球生命起源或与之相关的化学进化类型，地球上生命起源的一些有机物被认为是在其大气层中产生的，其过程与我们在土卫六上观测到的过程较为相似。"

目前，土星的这颗卫星是太阳系中一个独特的世界，是准备未来观测行星系外行星（即所谓的系外行星）大气层的试验场。在这些行星中，可能有像土卫六这样小而冷的天体。

这篇现已发表的文章的第二作者佩德罗-马查多（Pedro Machado）评论说："在类似这种具有挑战性的分析中获得的经验，将有益于詹姆斯-韦伯太空望远镜或欧洲航天局（ESA）未来的阿里尔太空任务的红外观测。"

这项工作所使用的数据来自 2018 年 6 月使用 UVES 高分辨率可见光和紫外线摄谱仪进行的观测，该摄谱仪安装在位于智利的欧洲南方天文台甚大望远镜（VLT）上。还使用了 2005 年用同一仪器收集的存档数据。

编译自:ScitechDaily