我们是谁？我们为什么存在？正如克罗斯比、斯蒂尔斯、纳什与杨的歌曲所指出的，我们是由星尘构成的，形成于广阔的星际气体和尘埃云中的化学过程。为了深入研究这一化学过程如何可能导致前生物分子的形成——地球上以及可能的超越地球生命的构建块——研究人员研究了当宇宙辐射穿过冰粒子时产生的低能电子的影响。他们的发现也可能对我们星球的医疗和环境应用产生影响。
本科生肯尼迪·巴恩斯将在即将召开的美国化学会（ACS）秋季会议上展示团队的研究成果。
“一个多世纪前，由威尔斯利学院校友安妮·简普·坎农首次发现宇宙中的分子，”巴恩斯说，她和本科同学荣·吴在化学教授克里斯托弗·阿鲁曼亚甘和物理教授詹姆斯·巴塔特的指导下进行了这项研究。自坎农的开创性工作以来，科学家们渴望了解外星分子是如何产生的。“我们的目标是研究低能电子与光子在触发与外星形成这些前生物分子相关的化学反应方面的重要性，”巴恩斯解释道。
以前研究的结果表明，电子和光子都可以驱动同样的反应。然而，巴恩斯及其团队的研究表明，来自低能电子和光子的前生物分子的产率在宇宙中可能存在显著差异。“我们的计算显示，宇宙射线在宇宙冰中诱导的电子数量可能远远超过撞击冰的光子数量，”巴恩斯透露。“因此，电子在外星前生物分子的形成中可能比光子发挥更关键的作用。”
除了宇宙冰外，她对低能电子和辐射化学的研究对地球上的应用也很有前景。巴恩斯和她的同事最近研究了水的辐射解离，发现低能电子刺激可以导致过氧化氢和氢过氧基自由基的释放，这两者都可能消耗平流层臭氧，并导致人类细胞中的有害氧化应激。
“我们许多与水辐射解离相关的发现可以用于医疗背景和模拟，”巴恩斯分享道，并指出高能辐射可能在癌症治疗中起到作用。“我曾听一位生物化学教授说人类本质上是由水组成的。因此，其他科学家正在研究在水中产生的低能电子对DNA分子的影响。”
她还提到，团队的结果与环境清理策略相关，其中废水通过高能辐射处理，从而生成大量被认为对降解有害物质至关重要的低能电子。
为了增强对前生物分子形成方式的理解，研究人员将调查扩展到理论模型之外，并在实验室中重建类似空间的条件。他们利用超高真空腔和一个极纯的铜基底，该基底可以冷却到非常低的温度，搭配一个电子枪来产生低能电子，以及一个激光驱动的等离子体灯来产生低能光子。通过用这些粒子轰击纳米尺度的冰膜，科学家们分析了产生的分子形成。
“虽然我们之前的研究重点在于星际亚微米冰粒子的影响，但我们的工作也涉及到更大的宇宙冰，例如在木星卫星欧洲发现的厚达20英里冰壳的冰，”巴恩斯指出。
因此，她相信他们的研究将帮助天文学家解读来自太空任务的数据，如NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜以及预计在2024年10月发射的欧洲探测器。巴恩斯希望他们的发现能够激励其他研究人员将低能电子融入他们模拟宇宙冰中过程的星际化学模型中。
该团队还在实验不同分子组成的冰膜，并研究低能电子可能如何促进其他前生物化学反应。这项协作工作与法国的辐射和天体物质研究实验室的专家进行。
“我们即将揭示的内容让人感到无比兴奋，”巴恩斯表示，这标志着空间探索新时代的开始。
该研究得到了美国国家科学基金会、阿诺德和梅布尔·贝克曼基金会、威尔斯利学院教师奖、布拉赫曼·霍夫曼基金和南希·哈里森·科洛德尼’64教授职位的资助。
