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• 科學家在位於新竹的國家同步輻射研究中心搭建模擬星際的環境，並利用同步輻射研究中心的X 光及真空紫外光研究冰晶內部結構，進一步解釋發生在冰晶上的化學反應。各國的學者更因為同步輻射光源的高穩定性而紛紛前來臺灣做研究。
• 星際冰晶主要由水、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氨等分子於太空低溫環境中聚集於塵埃顆粒的表面，形成一個迷你的化學反應槽，不僅能進行分解水分子、轉化甲烷分子等反應，更可以合成出形成生命所需的前驅物——胺基酸及甲醇。
• 化學家、生物學家與天文學家一同合作研究星際冰晶，為行星系統的演化及生命是否來自太空一大問題揭開神祕面紗。

當我們仰望星空，看到的似乎只是閃爍的星光，但在這宇宙中其實藏著無數令人著迷的祕密。在那黑暗的空間裡，飄散著微小的塵埃與氣態分子，它們默默地在極端環境下凝結成了微小冰晶，是化學反應的舞臺，產生出可能與地球生命息息相關的分子，搭起開啟生命的大門。

星際冰晶是什麼？

星際（星球與星球間）的溫度範圍大約在10 ～100 K（－ 263.15 ～－ 173.15℃），低溫環境讓氣態分子開始慢慢聚集並在塵埃顆粒表面凝結，形成星際冰晶。這些冰晶主要由水（H2O）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氨（NH3）等簡單分子組成。不要小看這些冰晶，它們不只是宇宙中的冰塊！而是一個化學反應的「迷你實驗室」，可以在極端條件下進行分子間的化學反應。例如當真空紫外光或高能粒子撞擊這些冰晶時，內部分子的化學鍵可能會改變，形成新的分子，例如氫氣（H2）、氧氣（O2），甚至像甲醇（CH3OH）等更複雜的有機分子。

這些化學過程不僅改變了冰晶的組成，還可能釋放出新的分子到太空中，參與宇宙中的物質循環。更重要的是，這些分子可能為生命的起源提供原材料。對天文學家來說，透過觀測星際塵埃和冰晶的反射與吸收光譜，可以推測出冰晶的成分與所在的環境，甚至了解年輕恆星周圍行星系統的形成過程。例如來自冰晶的光譜特徵可以幫助科學家確認星際物質的溫度、壓力以及化學環境，這些條件對研究行星形成具有關鍵意義。

星際冰晶會在哪裡形成？

1. 分子雲核心：

在宇宙的廣闊空間中，有些區域被稱為分子雲。這些雲由氣體和塵埃構成，溫度極低（約10 ～ 20 K），密度相對較高（氫分子密度 ＞ 104 cm-3 ）。由於塵埃顆粒的遮蔽作用阻擋了紫外光，分子雲的內部可以避免來自太空的真空紫外光強烈照射，形成了有利於分子凝結的環境。然而高能粒子的穿透力極高，仍能穿透分子雲，過程中藉由與冰晶碰撞將部分能量傳遞給冰晶，也會將分子雲中的氫分子激發與游離。當被激發的氫原子與氫分子回到基態時，會釋放出產生二次真空紫外光的能量，因此誘發星際冰晶發生化學反應。

2. 分子雲的邊緣區域：

在分子雲的邊緣，真空紫外光輻射較強，使冰晶的化學反應更為活躍。雖然這些冰晶會受到輻射的影響，但正因為輻射所提供的能量，讓原本構成冰晶的簡單分子解離形成自由原子或是自由基，而這些自由原子與自由基再與原本構成冰晶的簡單分子進行交互作用，形成結構更為複雜的分子，因此它們仍然是複雜分子形成的重要場所。

3. 原行星盤：

當恆星形成時，周圍會出現一個由塵埃和氣體組成的原行星盤，冰晶可以穩定存在於盤中的低溫區域，並在恆星所提供的能源（X 光、真空紫外光、電子與離子等）作用下，參與有機分子的形成過程。

在分子雲的核心中，由於溫度極低（約10 K），分子之間的運動非常緩慢，但冰晶內部的自由基仍可以進行反應。另一方面，在分子雲的邊緣，高能量的紫外光可打破冰晶內分子的化學鍵，生成自由基，進一步形成更複雜的分子。至於原行星盤，隨著距離恆星的遠近不同，冰晶可能經歷凝結、昇華，在過程中引發化學反應的發生。

產生生命的工廠可能就在頭頂上的星空！

星際冰晶之所以如此引人注目，是因為它們能進行多樣的化學反應，特別是受到能量刺激時。例如來自恆星的真空紫外光或宇宙射線（高能粒子）會撞擊冰晶表面，提供能量讓分子發生反應（圖一）。

圖一｜發生在星際冰晶上的化學反應（資料來源：作者提供）
（左）氣態分子凝結在星際塵埃表面形成星際冰晶；
（中）在真空紫外光與宇宙射線的作用下，部分分子被解離成自由原子或是自由基；
（右）自由原子、自由基與分子間產生交互作用，形成結構更大的有機複雜分子。

1. 水的分解：

當紫外光照射水分子時，水分子分解成氫原子和羥基（-OH），而這些產物可以進一步反應生成氫氣或過氧化氫（H₂O₂）。

2. 甲烷的轉化：

在高能粒子的刺激下，甲烷可能被轉化成更複雜的碳氫化合物，例如乙烯（C₂H₄）或乙炔（C₂H₂）。這些分子的生成有助於了解有機碳在星際環境中的形成。

3. 生成有機分子：

星際冰晶可能參與生成甲醇或簡單胺基酸等分子，這些分子被認為是生命的前驅物質。

4. 多分子間交互作用：

當多種分子共存於冰晶表面時，可能發生更複雜的交互作用。例如氨與甲醛反應可能生成胺類化合物，在生命化學中具有重要意義。

想像一下，這些小小的冰晶不僅改變太空中的化學組成，還可能為生命的出現鋪設一條舒坦的道路，而且就在我們所見的星空背後默默運作。

在臺灣實驗室中打造星際環境

由於星際冰晶分布在遙遠的宇宙中，我們無法直接帶它們回地球觀察。那麼科學家如何研究它們？科學家在實驗室中創造了類似星際空間的條件，包括超高真空（約10^-11torr，一大氣壓為760 torr）和極低溫（10 ～ 100 K）……【更多內容請閱讀科學月刊第663期】