宇宙為什麼缺氧氣

我們每時每刻都離不開氧氣，但是研究發現，宇宙中氧氣分子十分稀少，這一現象的形成原因一直困惑著科學家，最新研究給這一現象提供了答案。

1998年，美國NASA曾經專門發射一個衛星去尋找太空中是否存在大量氧分子，但是並沒有成功，科學家甚至懷疑是儀器存在問題。最新的實驗解釋了這種生命必需的氣體在宇宙中為什麼稀少的原因，是因為氧原子與宇宙塵埃的結合力很強，讓氧原子形成氧分子非常困難。這一發現可幫助科學家深入理解恆星和行星形成的化學條件。

氧原子是宇宙中含量僅次於氫和氦排第三位元素，1970年代，天文學家預測氧分子應該也是宇宙中僅次於氫和一氧化碳（氦氣不是？）排第三位的氣體分子，但研究證據表明這顯然是錯誤的。天文學探測證明存在氧氣分子的地方只有兩個，獵戶座星雲和蛇夫座星雲。

（蛇夫座是赤道帶星座之一，從地球看位於武仙座以南，天蠍座和人馬座以北，銀河的西側。蛇夫座是星座中惟一一個與另一星座-巨蛇座交接在一起的，同時，蛇夫座也是惟一一個兼跨天球赤道，銀道和黃道的星座。）

但是即使這兩個區域，氧氣分子也比預測的數量要稀少的多。例如在獵戶座氧分子只有氫分子的百萬分之一。這與地球表面上的情形幾乎相反。

為解釋宇宙中氧分子稀少的原因，天文學家最近提出假說，認為氧原子和廣泛分布在宇宙雲中的宇宙塵埃的結合力比較大，錫拉丘茲大學的實驗天體物理學家Jiao He認為，人們都知道氧原子與其他顆粒的結合力對解釋宇宙現象非常重要，但是過去並沒有準確測量這個數據。

他和同時對這個數據進行了測量，他們將冰和硅酸鹽兩種固體加熱，觀察氧原子逃離的難度。最近研究發現氧原子與其他分子結合能測量值是幾十年前測量值的2倍，最近將結果發表在Astrophysical Journal上。氧原子在水中的結合能是1.4電子伏特，在硅酸鹽中的是1.6電子伏特，這種數據說明，氧原子和宇宙塵埃的結合力不足以被宇宙雲環境加熱分離。獵戶座存在少量氧分子是因為存在一個高能量塵埃衝擊波將氧原子與其他粒子分離，地球大氣中的氧氣是因為樹木等植物通過光合作用。

哈佛-史密松天體物理中心天體物理學家Gary Melnick最近曾經提出這一假設，他認為這一研究結果十分重要，能解釋許多現象。

氧原子從宇宙塵埃中分離後可以結合成氧分子。當氧分子被吸附到宇宙塵埃後，氫原子可結合氧形成水冰。水成為小行星、彗星和行星的組成成分，成為生命進化的基礎。

加州噴氣推進實驗室天文學家Paul Goldsmith花費超過1/4世紀尋找宇宙氧分子，終於在2010年赫歇爾空間天文台在獵戶座探測成功。他說自己花費這麼多年在太空艱苦地探尋氧氣，但最終這些研究數據和赫歇爾空間天文台的數據解釋了原因。

http://iopscience.iop.org/0004-637X/801/2/120

The Astrophysical JournalVolume 801 Number 2

Jiao He et al. 2015 ApJ801 120 doi:10.1088/0004-637X/801/2/120

A NEW DETERMINATION OF THE BINDING ENERGY OF ATOMIC OXYGEN ON DUST GRAIN SURFACES: EXPERIMENTAL RESULTS AND SIMULATIONS

看看4年前的新聞

一支國際科學家團隊近日在宇宙深空中首次發現氧分子，為多年來科學家針對太空內氧分子的搜尋研究帶來了曙光，也讓人們對發現外星人的可能充滿了猜想。

科學家利用歐洲宇航局的赫歇爾空間天文台檢測到的氧分子存在於獵戶座星雲的一個孕育恆星形成的區域，大約距離地球1500光年。該天文台運用其大型望遠鏡以及紅外探測設備在宇宙中尋找氧分子的存在，它在宇宙中的存在被認為極其平常，但到目前為止卻很難找到。

科學研究表明，單個的氧原子在宇宙中普遍存在，特別是它們常常圍繞在大質量恆星周圍。氧分子是兩個氧原子構成，在地球大氣中，其比例高達21%。此前科學家卻沒有在深空中檢測到氧分子存在。

美國航空航天局噴氣推進實驗室的「赫歇爾」項目科學家保羅-戈德史密斯（Paul Goldsmith）在一份聲明中稱，在18世紀70年代，人們發現了氧氣。但是科學家卻花費了長達230年的時間才最終在深空中發現了氧分子的存在。保羅-戈德史密斯在《天體物理雜誌》中介紹了此次深空中發現氧分子，他是這篇學術文章的主要作者。

此前，天文學家花了數十年的時間運用地面太空望遠鏡在太空中搜尋難以捉摸的氧分子。在2007年，瑞典「奧丁」射電天文望遠鏡據稱曾發現過太空中的氧分子，但是這項發現無法得到證實。而此次「赫歇爾」團隊的發現卻得到了證實。戈德史密斯和他的同事們推測，氧原子會附著在宇宙中凍結的細微塵埃顆粒上，並逐漸轉化為水冰。他們認為，受到光線照射的水冰逐漸升溫，從而釋放了水汽，以此允許了氧分子的出現。此次在獵戶星雲中發現的氧分子正是這樣形成的。

戈德史密斯稱，這揭示了一部分氧分子的藏身之處，但是，此次探測並未能發現大量氧分子，因此科學家還不能了解到此次觀測的這一區域是否具有其他某些特殊條件致使其符合氧分子存在的條件。

宇宙中仍然還存在著太多的秘密有待揭示。目前，研究者們計劃在其他恆星形成區域繼續搜尋氧分子。「赫歇爾」計劃科學家比爾-丹奇（Bill Danchi）也表示，氧是宇宙中第三大常見元素，氧分子的形成在宇宙中肯定是豐富的。「赫歇爾」空間天文台是解決這一宇宙謎團的有力工具。該天文台使得科學家們可以運用全新的技術去探測氧分子可能存在的信號。