实验室研究揭示了碳原子如何在星际冰粒表面扩散形成复杂的有机（碳基）化合物，这对揭示宇宙化学的复杂性至关重要。由于直接观测技术的不断改进，在太空中探测到的有机分子以及了解它们如何相互作用的清单正在稳步扩大，然而，揭示复杂过程的实验室实验也能提供重要线索。

星际冰上有机化合物形成的艺术描绘。资料来源：Masashi Tsuge

北海道大学的研究人员与日本东京大学的同事合作，在《自然-天文学》（Nature Astronomy）杂志上报告了基于实验室的关于碳原子在星际冰粒上的核心作用的新见解。

太空中一些最复杂的有机分子被认为是在星际冰粒表面以极低的温度生成的。据了解，适合这种用途的冰粒在宇宙中比比皆是。

所有有机分子都是以碳原子结合的骨架为基础的。大多数碳原子最初是通过恒星中的核聚变反应形成的，当恒星在超新星爆炸中死亡时，碳原子最终分散到星际空间。但是，要形成复杂的有机分子，碳原子需要一种机制来聚集在冰粒表面，遇到伙伴原子并与它们形成化学键。新研究提出了一种可行的机制。

在 30 开尔文（零下 243 摄氏度/零下 405.4 华氏度）以上，碳原子扩散并结合在一起，形成二原子碳 C2。资料来源：Masashi Tsuge 等人，《自然-天文学》。2023 年 9 月 14 日

北海道大学低温科学研究所的化学家 Masashi Tsuge 说："在我们的研究中，我们在实验室中再现了可行的星际条件，能够探测到弱结合碳原子在冰粒表面扩散反应并生成 C2 分子。C2 也被称为双原子碳，是两个碳原子结合在一起的分子；它的形成是星际冰粒上存在扩散碳原子的具体证据。"

研究发现，这种扩散可在 30 开尔文（零下 243 摄氏度/零上 405.4 华氏度）以上的温度下发生，而在太空中，只需 22 开尔文（零下 251 摄氏度/零上 419.8 华氏度）就能激活碳原子的扩散。

论文第一作者兼通讯作者柘植雅志（左）与合著者渡边直树（右）。资料来源：Masashi Tsuge

柘植说，这些发现将一个以前被忽视的化学过程纳入了解释框架，即如何通过不断添加碳原子来构建更复杂的有机分子。他认为，这些过程可能发生在恒星周围的原行星盘中，行星就是从这些原行星盘中形成的。所需的条件也可以在所谓的半透明云中形成，最终演变成恒星形成区。这也可以解释地球上可能孕育生命的化学物质的起源。

除了生命起源的问题之外，这项研究还为可能已经并可能仍然在整个宇宙中构建碳基化学的各种化学反应增添了一个基本的新过程。

作者还总结了目前对太空中复杂有机化学物质形成的更普遍的理解，并考虑了由扩散的碳原子驱动的反应可能会如何改变目前的情况。