APP 提到宇宙，你第一時間會聯(lián)想到什么？黑暗、廣袤、星光璀璨、銀河浩瀚......我們對宇宙的認(rèn)識多是視覺上的。但有沒有想過，宇宙是什么味道的呢？它是不是也有自己獨(dú)特的氣味，每一顆星球，每一個星系，味道是不是都各不相同呢？在地球上，我們通過鼻子的嗅覺分辨氣味，而氣味源于化學(xué)分子與嗅覺受體的相互作用。那么在真空的宇宙中，該如何感知和探索氣味呢？
直接詢問宇航員是一種方法，當(dāng)宇航員進(jìn)行太空行走時，太空中的微小化學(xué)物質(zhì)和分子會附著在他們的宇航服、頭盔和工具表面。當(dāng)他們返回空間站并重新進(jìn)入有空氣的環(huán)境時，這些附著的物質(zhì)會與艙內(nèi)的空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放出獨(dú)特的氣味。美國宇航員唐納德·佩蒂特形容太空的氣味為“甜美的金屬味”，聯(lián)想到電弧焊接時的煙霧。而德國宇航員亞歷山大·格斯特表示，太空聞起來像“核桃和摩托車剎車片的混合味道”。 阿波羅11號的巴茲·奧爾德林則將其比作“燒焦的木炭”。宇航員們的描述各不相同，而且在太空中他們帶著厚厚的氧氣罩，如果想更直接地的了解宇宙的味道，我們或許可以通過科學(xué)手段對宇宙氣味展開探索——光譜分析。
天文光譜是解讀宇宙奧秘的重要工具。利用光譜儀將來自遙遠(yuǎn)星云或恒星的光分解成不同波長的光譜，每種分子吸收或發(fā)射的光波長度各不相同，所以在光譜中留下的標(biāo)志便能夠表明該分子的存在。譜線數(shù)據(jù)包含了豐富的信息，每條光譜線都對應(yīng)著某種特定的元素或分子，分析這些譜線的強(qiáng)度和形狀，就可以從中可以提取天體的化學(xué)組成、亮度、溫度、空間分布等關(guān)鍵參數(shù)。這些數(shù)據(jù)描繪了天體的內(nèi)部構(gòu)造和演化歷程，在分析天文光譜數(shù)據(jù)的過程中，逐步發(fā)現(xiàn)了許多奇異的天體及其現(xiàn)象，而本文介紹的宇宙香氣正是依賴這種技術(shù)。
光譜的起源可以追溯到1666年，牛頓用棱鏡將白光分解為七色光譜，奠定了光譜學(xué)的基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，天文學(xué)家逐步開發(fā)出更先進(jìn)的儀器和方法，從低分辨率的早期光譜記錄發(fā)展到現(xiàn)代高精度光譜觀測。在此過程中，反射式望遠(yuǎn)鏡、消色差折射望遠(yuǎn)鏡、折反射望遠(yuǎn)鏡等光學(xué)儀器不斷演進(jìn)，都在為光譜觀測技術(shù)提供支撐。
圖 一顆恒星的光譜示例圖
最初，光譜技術(shù)的應(yīng)用只是單純地分析光的組成，但在19世紀(jì)初，光柵的發(fā)明讓科學(xué)家能夠精確地測量光的波長。1814年，夫瑯和費(fèi)在太陽光譜中發(fā)現(xiàn)了數(shù)百條黑色的吸收線，這些線條成為了天體化學(xué)分析的起點(diǎn)。
圖 夫瑯和費(fèi)記錄的太陽光譜中的暗線
這條探索之路因德國物理學(xué)家基爾霍夫的貢獻(xiàn)而大大延伸。1859年，他首次通過光譜對比確認(rèn)了太陽大氣中鈉元素的存在。這種發(fā)現(xiàn)足以令人欣喜，這代表著太陽和地球有著相同的化學(xué)成分。也就是說人類第一次從科學(xué)角度理解了宇宙同源的概念，于是開啟了通過光譜分析恒星和星云的物質(zhì)構(gòu)成的時代。恒星的光譜中包含的不僅僅是吸收線。早期的觀測中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了某些星云發(fā)射的光譜中含有異常亮的發(fā)射線。這些發(fā)射線的波長與實(shí)驗(yàn)室中任何已知元素的譜線都不匹配，似乎來自一種未知物質(zhì)。直到20世紀(jì)30年代，科學(xué)家才解開這一謎團(tuán)：這些發(fā)射線來自二次電離的氧離子，只有在極低密度和特殊的輻射環(huán)境下才會出現(xiàn)。但這也代表著另一個科學(xué)突破：通過分析光譜，可以進(jìn)一步的揭示星際空間的物理?xiàng)l件和化學(xué)環(huán)境。發(fā)射線的研究表明星云不僅僅是簡單的氣體云團(tuán)，它們是動態(tài)變化的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，孕育著復(fù)雜的物理過程。這些過程包括氣體的電離、再組合、分子形成和能量的傳遞。光譜分析讓科學(xué)家能夠探測這些星際云的溫度、密度和輻射場強(qiáng)度，每一條譜線都在講述一個關(guān)于宇宙結(jié)構(gòu)與演變的故事，從星云如何凝聚成恒星，到恒星死亡時噴射物質(zhì)，形成新的星際云。這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證實(shí)宇宙的化學(xué)和動力學(xué)是相互交織的。
回到本文的主題，那么通過分析天文光譜，宇宙應(yīng)該是什么味道呢。這就要從人馬座B2星云說起。Sgr B2是宇宙分子觀測研究中的經(jīng)典案例，它是位于銀河系中心附近的大型分子云，距離地球約390光年，體積巨大，且充滿了豐富的化學(xué)元素和分子。在1975年，德國馬克斯·普朗克射電天文研究所的科學(xué)家利用波恩100米射電望遠(yuǎn)鏡觀測Sgr B2時，首次發(fā)現(xiàn)了甲醇（CH?OH）和甲酸（HCOOH）等復(fù)雜有機(jī)分子的存在。而真正令人矚目的突破發(fā)生在2009年，科學(xué)家利用歐洲南方天文臺的阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡對Sgr B2進(jìn)行了高分辨率觀測。在這一研究中，他們首次在星云中發(fā)現(xiàn)了乙酸乙酯（CH?COOCH?CH?）分子。通過射電光譜的精確觀測這一分子的譜線特征在毫米波段中得以識別。
乙酸乙酯是一個重要的復(fù)雜有機(jī)分子，通常用于制造香料和溶劑。在地球上，它是廣泛存在于水果中的香甜的果香，而科學(xué)家通過分析乙酸乙酯的射電光譜指紋，確認(rèn)它的存在，推測Sgr B2星云中可能彌漫著一股類似水果和朗姆酒的香氣。而Sgr B2星云中的味道并不僅限于乙酸乙酯。這片星云中還發(fā)現(xiàn)了其它味道分子，如乙醇（C?H?OH）、乙醛（CH?CHO）以及氨基甲酸乙酯（NH?COOCH?CH?）等。乙醇，也就是酒精，大家都不陌生，是我們身邊酒類飲品的主要成分；乙醛則常用于生產(chǎn)芳香劑，帶著一股辛辣的果香氣息。這些分子共同塑造了這片星云的“酒館”化學(xué)風(fēng)貌。這些有機(jī)分子的共同存在，使得Sgr B2星云仿佛是宇宙中的星際酒館，其彌漫的香氣成為一場由水果和朗姆酒交織的盛宴。
但太空中的味道也并不是都如此美味，我們在太陽系中的一個鄰居——木星就是一個絕佳的例子。木星的大氣層中充滿了對人類嗅覺極其不友好的氣體?？茖W(xué)家通過伽利略號和朱諾號探測器，對木星大氣進(jìn)行了詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)它主要由氫氣和氦氣組成，并含有少量的氨、硫化氫和甲烷。這三種氣體共同創(chuàng)造了一種極為刺鼻的氣味。硫化氫帶有強(qiáng)烈的臭雞蛋味，氨與甲烷的氣味更不必再次形容。而木星的衛(wèi)星木衛(wèi)一，這顆星體被稱為太陽系中最活躍的火山世界，它的地表不斷噴發(fā)出二氧化硫和硫化氫等化合物，這些物質(zhì)在地球上更是臭名昭著的氣味源頭。但雖然味道極為不雅，但這些氣體的存在也說明木星的深層大氣中活躍的化學(xué)反應(yīng)形成了一種與地球完全不同的動態(tài)環(huán)境。
從人馬座B2星云的星際酒館，到木星和木衛(wèi)一充滿硫化物的刺鼻氣息，每一種味道都蘊(yùn)藏著著宇宙的多樣性和復(fù)雜性。通過光譜分析我們得以窺見這些遠(yuǎn)在數(shù)百光年之外的化學(xué)特征，理解恒星、星云和行星的形成與演化。這些氣味不是宇宙化學(xué)的副產(chǎn)品，也是我們探索奧秘的線索。未來隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們或許可以在實(shí)驗(yàn)室中重現(xiàn)更精準(zhǔn)地還原宇宙的氣味，讓我們以新的方式感知宇宙的獨(dú)特魅力。
參考文獻(xiàn)
[1]陳淑鑫.LAMOST巡天光譜數(shù)據(jù)處理技術(shù)與分析應(yīng)用[D].哈爾濱工程大學(xué),2019.
