01.05 去哪裡尋找不可能的分子？

​1. “掃興”的惰性氣體元素

元素週期表的最後一列是一類“掃興”的元素，它們被統稱為惰性氣體。大多數元素的原子會和其他原子共享電子，形成化學鍵，從而構成分子，而惰性氣體原子的最外層的電子本身已經達到“滿”的狀態，因此它們自身就極其穩定，很少發生化學反應，很難與其他原子結合形成分子。

在地球上，還沒有發現天然形成的惰性氣體化合物。從上個世紀開始，科學家就在實驗室中嘗試將惰性氣體的原子合成分子。1925年，科學家在實驗室中設法讓氦（He）與氫離子（H⁺）共享一個電子，合成了第一個氦合氫離子（HeH⁺）。天文學家將氦合氫離子稱為“分子”，但由於它並不是電中性的，化學家更願意稱之為“分子離子”。

1962年，化學家尼爾·巴特利特

但在宇宙中，情況可能大不一樣。太空是一個尋找惰性氣體化合物分子的絕佳場所。惰性氣體元素在宇宙中十分豐富。氦是僅次於氫的宇宙中第二豐富的元素，氖（Ne）的丰度大約排在第五或第六名。在星際空間中，溫度和密度時常達到極端情況，惰性氣體在這種條件下可能會發生與在地球上不一樣的反應，形成分子就是其中之一。

2. 氬氫離子 - ArH⁺

氬氫離子（ArH⁺）是第一個被發現的天然的惰性氣體化合物分子。

ArH⁺的發現離不開赫歇爾空間天文臺。它於2009年發射升空，是一個對遠紅外線和亞毫米波進行觀測的天文臺。赫歇爾空間天文臺配備了超低溫超流體氦製冷劑，這使得它能在不受自身溫度干擾的情況下，觀測到來自遙遠的物體的遠紅外波長。由於許多分子吸收併發射遠紅外光，這一光譜範圍非常適合尋找新的星際分子。由於製冷劑耗盡，赫歇爾於2013年結束了它的觀測生涯，並讓出了其優越的觀測位置。但在它退役之前，它對星際氫化物的觀測做出了巨大貢獻。

在赫歇爾升空後的一年裡，多組天文學家都開始注意到，星際空間中存在一些物質，會吸收波長485微米的遠紅外光，這一譜線之前從未觀測到過。巴洛領導的小組也是其中之一。彼時，他們正在利用赫歇爾的數據研究蟹狀星雲。除了485微米的譜線，他們還注意到了另一個恰好是前者一半波長的譜線，這標誌著一個由兩個原子組成的分子。巴洛小組最終確認了ArH⁺的存在，並於2013年將這一發現發表在《科學》雜誌上。

不少科學家“錯過”了ArH⁺，是因為他們認為自己知道ArH⁺的波長。以往在實驗室中創造出的ArH⁺包含Ar-40，這是是地球上最常見的氬的同位素，但在星際介質中，Ar-36的丰度要高得多，而在宇宙中發現的也恰恰是波長略有不同的36ArH⁺。

星際中的ArH⁺合成需要兩個步驟。首先，宇宙射線讓氬原子失去一個電子，形成氬離子（Ar⁺），隨後Ar⁺再從氫分子那裡“偷”來一個氫原子，從而形成ArH⁺。

3. 氦合氫離子 - HeH⁺

在ArH⁺被找到後，科學家仍在繼續努力尋找一種“更簡單”的惰性氣體分子——HeH⁺。雖然這種分子很早以前就已經在實驗室中被合成出來，在宇宙中確認它的存在更為重要，因為科學家認為，在宇宙大爆炸的10萬年後，中性氦原子（He）與質子（實際上是帶正電的氫離子，H⁺）會開始反應，形成宇宙中的第一批分子，也就是HeH⁺。這是宇宙演化的第一步。

在上世紀70年代時，理論學家提出，這種分子很有可能在行星狀星雲中形成，因為那裡存在與早期宇宙相似的物理條件。經歷40多年的搜索，年輕的行星狀星雲NGC 7027終於給出了答案。2019年，羅爾夫·居斯滕（Rolf Güsten）等人首次在NGC 7027中探測到了HeH⁺，確認了這種物質存在於星際空間中，為這個漫長的“傳說”畫上了完美的句號。

4. 也許還有更多

宇宙中或許還有更多惰性氣體分子等待著科學家去發現。例如，在太空中，氖原子的數量比氬原子還要多，因此應該存在氖氫離子。如果能發現它們的蹤跡，氖氫離子的數量和它們存在的地方將可以進一步揭示星際介質的性質。

另一方面，宇宙中的氪（Kr）和氙較為罕見，氪氫離子或氙氫離子存在的可能性應該比較低。但在廣闊的宇宙中，溫度和密度起伏差異巨大，也許在某一個遙遠的星際雲的角落，原子會結合形成更令人意想不到的奇異的分子。在未來，更為先進的技術將幫助我們朝著更遙遠、更神秘的深空進行探索，或許還有更多驚喜等著我們。

https://www.knowablemagazine.org/article/physical-world/2019/noble-gas-molecules-in-space

https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev-astro-081915-023409?journalCode=astro

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