首次發現！行星“搖籃”檢測到罕見同位素信號？

撰文丨李明濤（中國科學院國家空間科學中心研究員）

近日，由美國哈佛-史密森天體物理中心領銜的國際科學家團隊，利用智利阿塔卡瑪大型毫米波天線陣列，在年輕恆星周圍的行星形成盤內首次檢測到罕見的甲醇同位素信號，爲破解生命形成之謎提供了關鍵鑰匙。

什麼是行星形成盤？爲何行星形成盤被稱爲宇宙中神奇的化學實驗室？行星形成盤內首次檢測到甲醇同位素信號，這意味着什麼？爲何說這一發現爲破解生命形成之謎提供了關鍵鑰匙？

行星形成盤，也被稱爲原行星盤，是圍繞年輕恆星的盤狀結構，主要由氣體和塵埃組成。它是恆星形成後殘留的物質聚集區，也是行星、小行星、彗星等天體的 “誕生地”。例如，太陽系形成初期也存在類似的盤狀結構，地球、木星等行星正是在其中通過塵埃逐級聚合、碰撞、吸積逐步形成的。

行星形成盤是複雜有機分子合成的理想場所，原因在於其獨特的環境條件：1）豐富的原材料——行星形成盤中含有大量星際冰晶、氣體和塵埃，爲複雜分子的合成提供了充足的物質基礎；2）多樣的溫度梯度——靠近恆星的高溫區域溫度可達上千攝氏度，而外圍的低溫區域溫度可達零下260攝氏度，爲不同化學反應提供適宜的溫度條件；3）豐富的能量來源——恆星的紫外輻射、宇宙射線等能量，可打破簡單分子的化學鍵，促使其重新組合成更復雜的有機分子；4）物質混合機制——盤內的湍流運動、塵埃顆粒碰撞、引力擾動會推動不同區域的物質混合，讓簡單分子有機會接觸併發生反應，逐步生成生命所需的基礎原料。

行星形成盤內豐富的物質在溫度梯度、恆星紫外輻射、宇宙射線及湍流運動，共同構成一個神奇的“分子組裝工廠”：簡單分子在塵埃冰殼上經光化學反應重組，逐步生成複雜有機物，構成生命起源的基礎材料。

在年輕恆星的行星形成盤中發現罕見甲醇同位素對破解生命形成之謎具有重要意義：

1）表明生命原料在宇宙中具有普遍性——甲醇是一種重要的簡單有機分子，是構建氨基酸、糖類等複雜生命分子的關鍵前體分子。在年輕恆星的行星盤中發現甲醇，暗示生命原料的形成並非太陽系獨有，而是在宇宙中普遍存在的現象。

2）驗證了生命原料的輸送機制——甲醇同位素的比例與太陽系內彗星中的比例一致，支持了 “彗星輸送假說”：行星形成盤中的有機分子會凍結成冰晶，聚集形成彗星；彗星通過撞擊年輕行星表面，將這些分子 “播撒” 到行星上。例如，地球早期的水和部分氨基酸可能就來自彗星撞擊。該機制的普遍性，意味着其他行星系統也可能通過同樣的方式獲得生命原料。

3）暗示了更復雜有機分子的存在——此次發現的甲醇同位素含量僅爲普通甲醇的 1/100-1/10，但其信號仍能被阿塔卡瑪大型毫米波天線陣列捕捉到。意味着行星形成盤中可能存在更豐富的複雜有機分子，構成蛋白質的甘氨酸等，只是目前受限於觀測靈敏度尚未被發現。未來通過更高精度的設備，有望探測到這些分子，進一步完善生命原料的 “分子鏈條”。

4）爲地外生命搜尋提供了新方向——研究指出生命原料最可能富集在距離恆星約24億公里的塵埃環帶，該區域相當於太陽系中海王星軌道外的柯伊伯帶。該區域低溫且富含冰晶，是彗星形成的理想場所，未來的探測任務可優先關注此類區域。

從生命原料到生命形成是個複雜的過程。在恆星周圍的行星形成盤內首次檢測到罕見的甲醇同位素信號，不僅表明了生命原料在宇宙中的普遍性，也驗證了生命原料的輸送機制，更爲未來地外生命搜尋提供了新方法。期待未來能夠取得更多科學發現，早日完成從“簡單分子-複雜分子-生命物質-生命現象”的拼圖，讓人類離破解 “生命如何在宇宙中誕生” 更近一步。

來源：科普中國