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托林 (天文学)

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梦幻之地区，卡戎北极的一个黑暗区域。该区域因托林沉积而呈现深棕色。

托林（英語：tholin，（源于希腊语 θολός（tholós）“朦胧的”或“泥泞的”；[1] 来自古希腊语意为“乌贼墨汁”的词）是由太阳紫外线或宇宙射线辐照简单的含碳化合物（如二氧化碳（CO
2）、甲烷（CH
4）或乙烷（C
2H
6）），通常与氮气（N
2）或水（H
2O）结合而形成的多种多样的有机化合物。[2][3]它并不是单一的纯净物，并没有确定的化学分子或明确的混合物与之对应。托林是无序的聚合物类材料，由连接的亚单元重复链和官能团的复杂组合构成，通常是腈类和烃类，以及它们的降解形式如胺类和苯基类。托林在现代地球上不会自然形成，但在外太阳系冰冷天体的表面大量存在，通常为浅红色或棕色的外观，并作为红色气溶胶存在于外太阳系行星和卫星的大气中。

在有水的情况下，托林可能是前生物化学（即形成生命基本化学品的非生命化学）的原材料。它们的存在对地球上以及可能在其他行星上的生命起源具有重要意义。作为大气中的粒子，托林散射光线，并能影响宜居性。

托林可以在实验室中生产，通常作为具有许多不同结构和性质的多种化学品的异质混合物进行研究。使用包括热重分析在内的技术，天体化学家分析实验室生产的托林混合物的组成以及其中单个化学品的确切特征。[4]

概述

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聚丙烯腈，托林的假设聚合组分之一，主要以含有腈基和氨基的聚合物化学降解形式存在。它在实验中用于制造托林混合物。[4]

“托林”一词由天文学家卡尔·萨根和他的同事比顺·卡雷创造，用于描述他们在含有甲烷的气体混合物（如土卫六大气中发现的）的米勒-尤里式实验中获得的难以表征的物质。[1]他们提出“托林”名称的论文写道：

在过去十年中，我们一直在实验室中用宇宙中丰富的气体 CH
4、C
2H
6、NH
3、H
2O、HCHO 和 H
2S 的混合物生产各种复杂的有机固体。通过紫外线（UV）光或火花放电合成的产物是一种棕色、有时发粘的残留物，由于其抗拒常规分析化学的特性，被称为“难处理的聚合物”。[...] 我们建议使用一个无模型的描述性术语“托林”（希腊语 Θολός，泥泞的；但也有 Θόλος，拱顶或穹顶的意思），尽管我们也曾受到“星焦油”这一短语的诱惑。[3][1]

托林不是一种特定的化合物，而是描述了一系列分子，包括杂聚物，[5][6]这些分子在某些行星表面形成红色的有机覆盖层。托林是无序的聚合物类材料，由连接的亚单元重复链和官能团的复杂组合构成。[7]萨根和卡雷指出：“托林的性质将取决于所使用的能源和前体的初始丰度，但各种托林之间存在明显的物理和化学相似性。”[1]

该领域的一些研究者倾向于对托林采用狭义定义，例如，S. Hörst 写道：“就我个人而言，我只在描述实验室制备的样品时尝试使用‘托林’这个词，部分原因是我们实际上还不知道我们在实验室中生产的材料与在土卫六或海卫一（或冥王星！）等地发现的材料有多相似。”[3]法国研究人员也只在使用实验室制备的样品作为类似物时使用“托林”一词。[8]NASA科学家也更喜欢将“托林”一词用于实验室模拟产物，而对天文天体上的实际观测结果使用“难熔残留物”一词。[7]

形成

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土卫六大气中托林的形成

人工形成

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托林的关键元素是碳、氮和氢。对实验合成的托林进行的实验室红外光谱分析证实了先前对存在的化学基团的鉴定，包括伯胺、腈以及形成复杂无序高分子固体的 CH
2/CH
3 等烷基部分。实验室测试生成了在冷等离子体条件下将 N
2:CH
4 气体混合物暴露于放电而产生的复杂固体，这让人联想到1952年进行的著名米勒-尤里实验。[9]

自然形成

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如图所示，托林被认为是通过称为热解和辐射分解的一系列化学反应在自然界中形成的。这始于高能粒子和太阳辐射对分子氮（N
2）和甲烷（CH
4）的离解和电离。随后形成乙烯、乙烷、乙炔、氰化氢以及其他小的简单分子和小阳离子。进一步的反应形成苯和其他有机分子，它们的聚合导致较重分子气溶胶的形成，然后这些气溶胶凝结并沉淀到下方的行星表面。[10]

在低压下形成的托林往往在其分子内部含有氮原子，而在高压下形成的托林更可能将氮原子置于末端位置。[11][12]

托林可能是星际介质的主要成分。[1]在土卫六上，它们的化学过程在高海拔处启动，并参与固体有机颗粒的形成。[8]

这些大气衍生物质不同于冰托林II，后者是通过辐照（辐射分解）水和有机化合物（如甲烷（CH
4）或乙烷（C
2H
6））的笼形包合物而形成的。[2][13]冰上的辐射诱导合成与温度无关。[2]

模型显示，即使在远离恒星紫外线辐射的情况下，宇宙射线的剂量也可能足以在不到典型星际云寿命的时间内将含碳冰粒完全转化为复杂的有机物。[2]

生物学意义

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一些研究者推测，地球在其发展早期可能被富含托林的彗星播下了有机化合物，为生命的发展提供了必要的原材料。[1][2]（参见米勒-尤里实验的讨论。）由于大约24亿年前的大氧化事件以来地球大气中存在游离氧成分的氧化性质，托林在现今地球上并不自然存在。[14]

实验室实验[15]表明，靠近可能持续数千年的液态水大池的托林可能促进前生物化学，[16][3]并对地球上以及可能其他行星上的生命起源具有重要意义。[3][14]此外，作为系外行星大气中的粒子，托林会影响光散射，并起到屏障作用，保护行星表面免受紫外线辐射，从而影响宜居性。[3][17]实验室模拟发现了与氨基酸以及尿素相关的衍生残留物，具有重要的天体生物学意义。[14][15][18]

在地球上，各种各样的土壤细菌能够利用实验室生产的托林作为其唯一的碳源。在自养进化之前，托林可能是异养微生物的第一批微生物食物。[19][20]

分布

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从惠更斯号着陆器看到的土卫六表面。托林被怀疑是表面和大气雾霾呈现红色的来源。

萨根和卡雷指出托林存在于多个地点：“作为地球原始海洋的组成部分，因此与生命起源相关；作为外行星和土卫六大气的红色气溶胶成分；存在于彗星、碳质球粒陨石小行星和行星前太阳星云中；以及作为星际介质的主要成分。”[1]外太阳系中彗星、半人马以及许多冰冷卫星和柯伊伯带天体的表面富含托林沉积物。[21]

卫星

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土卫六

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土卫六托林是富含氮的[22][23]有机物质，由土卫六大气和表面存在的氮和甲烷气体混合物经辐照产生。土卫六的大气约97%是氮气，2.7±0.1%是甲烷，其余是微量其他气体。[24]就土卫六而言，其大气的雾霾和橙红色都被认为是由托林的存在引起的。[10][25]

木卫二

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木卫二表面的线状裂缝，可能被托林着色。

木星卫星木卫二上的彩色区域被认为是托林。[16][26][27][28]木卫二的撞击坑和脊的形态暗示着流体化物质从发生热解和辐射分解的裂缝中涌出。为了在木卫二上产生有色托林，必须有物质来源（碳、氮和水）以及驱动反应的能量来源。木卫二水冰冰壳中的杂质被认为既通过使天体表面更新的冰火山事件从内部涌出，又作为星际尘埃从太空积累。[16]

土卫五

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土星卫星土卫五的后导半球覆盖着托林。
新视野号航天器看到的冥王星上斯普特尼克平原的特写视图，显示氮冰冰川和微红色的托林。

土星卫星土卫五后导半球上的大片暗区被认为是沉积的托林。[13]

海卫一

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海王星卫星海卫一被观测到具有托林特征的红色。[22]海卫一的大气主要是氮气，含有微量甲烷和一氧化碳。[29][30]

矮行星

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冥王星

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托林存在于矮行星冥王星上[31]，并导致其红色[32]以及冥王星大气的蓝色色调。[33]冥王星五个卫星中最大的卡戎北极的红褐色帽状区域[3]被认为由托林组成，这些托林由冥王星大气释放的甲烷、氮气和相关气体产生，并传输约19,000 km（12,000 mi）的距离到达轨道上的卫星。[34][35][36]

谷神星

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黎明号任务在矮行星谷神星上探测到了托林。[37][38]该行星的大部分表面极其富含碳，其近表面碳的质量约占20%。[39][40]碳含量是地球上分析的碳质球粒陨石的五倍以上。[40]

鸟神星

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鸟神星显示出甲烷、大量的乙烷和托林，也可能存在少量的乙烯、乙炔和高分子量烷烃，很可能是由太阳辐射对甲烷的光分解作用产生的。[41][42][43]

柯伊伯带天体和半人马

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托林典型的微红色是许多海王星外天体的特征，包括外太阳系的类冥天体，如伊克西翁。[44]半人马小行星的光谱反射率也表明其表面存在托林。[45][46][47]新视野号对经典柯伊伯带天体阿罗科斯的探索揭示了其表面呈微红色，提示存在托林。[7][48]

彗星和小行星

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罗塞塔号任务在彗星丘留莫夫-格拉西缅科彗星上原位探测到了托林。[49][50]托林通常不是主带小行星的特征，但在小行星司法星上被探测到。[51][52]

太阳系外的托林

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使用哈勃太空望远镜上的近紅外線照相機和多目標分光儀（NICMOS），可能在年轻恒星HR 4796A的恒星系统中也探测到了托林。[53]HR 4796系统距离地球约220光年。[54]

参见

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延伸閱讀

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