研究人员通过在玻璃管内模拟类似太空的条件，从零开始制造出了宇宙尘埃。这些尘埃包含由生命必需元素构建的复杂富碳分子，并产生与太空中发现的真实物质相似的红外信号。通过研究这些实验室样本，科学家能够探索有机化学如何在恒星周围演化，以及彗星、小行星和陨石可能如何将这些成分带到了地球。
物理学院材料与等离子体物理专业的博士候选人Linda Losurdo，将氮气、二氧化碳和乙炔混合，以模拟恒星附近和超新星遗迹中发现的高能条件。
随后，她让这些气体承受强大的电荷。这一过程产生了富碳尘埃，类似于漂浮在星际空间中并保存在彗星、小行星和陨石内部的物质。
研究发现发表在美国天文学会的《天体物理学杂志》上。
含有生命必需元素的宇宙尘埃
实验室产生的尘埃包含碳、氢、氧和氮的复杂组合。这些元素统称为CHON分子，存在于许多被认为对生命至关重要的有机物质中。
“我们不再需要等待小行星或彗星来到地球才能了解它们的历史，”Losurdo女士说。“你可以在实验室构建模拟环境，并利用红外指纹逆向推导其结构。
“这能让我们深入洞察‘碳质宇宙尘埃’是如何在巨型老年恒星喷发出的等离子体中，或在恒星正在诞生的宇宙摇篮中形成的，以及它们如何散布这些可能对生命至关重要的迷人分子。
“这就像我们在实验室的一个瓶子里重建了一小部分宇宙。”
在太空中，宇宙尘埃在极端条件下形成。分子反复受到离子和电子的撞击，引发化学反应，从而创造出越来越复杂的材料。
天文学家通过研究宇宙尘埃发出的红外光来识别不同类型的尘埃。这些信号就像分子指纹，使研究人员能够确定物质的化学结构。
Losurdo的实验室样本产生了与太空中观测到的相同的独特红外特征。这种匹配表明，该实验紧密复现了被认为在真实宇宙环境中发生的过程。
追溯生命基石的起源
地球上的生命是如何开始的，仍然是科学界最大的未解之谜之一。研究人员继续在探究最初的有机分子是在年轻的地球上形成的，还是由彗星和陨石携带而来，抑或是在太阳系仍在形成时被输送至此，或者是这些可能性的结合。
从约45.6亿年前到35亿年前，来自小行星和彗星的陨石、微陨石和行星际尘埃颗粒反复撞击地球。科学家认为这些物体向地表输送了大量的有机物质。
然而，这些物质最初在哪里形成以及哪些过程创造了它们，仍不确定。
“彗星和小行星物质中共价键合的碳和氢被认为是在恒星的外层包络、超新星等高能事件以及星际环境中形成的，”Losurdo女士说。
“我们试图理解的是，将所有CHON元素结合到我们在宇宙尘埃和陨石中看到的复杂有机结构中的具体化学路径和条件。”
在玻璃管内重现太空
Losurdo与她的导师David McKenzie教授共同进行了这项实验。研究人员首先使用真空泵抽走玻璃管内的空气，制造出近似太空近乎真空的条件。
随后，他们在管中充入氮气、二氧化碳和乙炔。在大约一小时的时间里，该混合气体被施加了约10,000伏特的电势。这产生了一种称为辉光放电的等离子体形式。
高能量将原始分子分裂开来。其组分随后重新结合成更大、更复杂的化学结构。
随着时间的推移，新形成的物质沉积在放置于管内的硅片上，留下一层薄薄的尘埃。在某些样本中，收集到的颗粒类似于闪闪发光的宇宙物质碎片。
该研究的合著者McKenzie表示，在地球上制造这种尘埃让科学家能够接触到那些在太空中难以直接考察的条件。
“通过在实验室制造宇宙尘埃，我们可以探索太空中尘埃形成时所涉及的离子撞击强度和温度，”McKenzie教授说。“如果你想了解宇宙尘埃云内部的环境，这一点很重要，因为那里被认为正在发生与生命相关的化学反应。
“这也有助于我们解读陨石或小行星碎片在其生命周期中经历了什么。它的化学特征保存了其旅程的记录，而像这样的实验帮助我们学习如何解读那份记录。”
为天文学家建立指纹库
这项研究不仅能阐明与生命相关的分子最初是如何形成的。团队还计划建立一个详细的数据库，收录不同类型的实验室制造宇宙尘埃所产生的红外指纹。
天文学家可以将这些特征与对恒星形成区和死亡恒星遗迹的观测结果进行比较。匹配的信号可能会揭示某些形式的尘埃正在哪里产生，并帮助研究人员重建那里发生的物理和化学过程。
该数据库还可以提高科学家解读记录在陨石和小行星碎片内部的历史的能力。它们的化学成分可以保存它们在穿越太空的旅程中所经历的温度、辐射和粒子撞击的证据。
通过在实验室中重现宇宙化学，这项研究为研究人员提供了一种调查恒星环境深处发生的过程的新方法。它也可能阐明一些最终促成地球上生命诞生的古老化学步骤。
去年晚些时候，Losurdo在国际陨石学会年会上因这项研究获得了最佳报告奖。
作者报告无利益冲突。他们感谢澳大利亚显微学机构悉尼大学节点的支持，该工作获得了澳大利亚研究理事会的资助。