太空中首度確認完全氘化的甲醇

這種甲醇為什麼比較重

甲醇（CH₃OH）是最簡單的醇類：一個碳原子帶著三個氫原子，再和一個氧原子相連，第四個氫原子接在氧原子上。氘也是氫，只是原子核裡除了一個質子，還多了一個中子，所以質量是普通氫的兩倍，卻能組成結構相同的分子。結構相同、只差在所含同位素的分子，稱為「類同位素分子」。

過去已知的甲醇有四種部分氘化的形式，分別帶一個、兩個或三個氘原子（只帶一個氘時，它可以接在碳上，也可以接在氧上）。至於完全氘化的形式，早先的研究只找到一些不確定的跡象。現在，馬克斯·普朗克電波天文研究所的 Arnaud Belloche 所領導的團隊，首次確切偵測到 CD₃OD；這也是第一個在星際空間發現、帶有四個氘原子的分子。

令人意外的是它的數量。銀河系裡，每 10萬個氫原子只有約 1.6 個氘原子。假如氘隨機分配到各個分子裡，每 10¹⁹ 個普通甲醇分子中，完全氘化的還不到 1 個。研究團隊卻在 IRAS 4A2 周圍測得，每 1萬個普通甲醇分子就有約 4 個 CD₃OD。

ALMA 怎樣認出看不見的分子

溫暖氣體裡的分子會轉動，但轉速只能是某些固定的值。分子的轉動每從一個能階降到下一個能階，就會發出一個特定頻率的電波。原子變重，分子的轉動方式也跟著改變，所以每一種類同位素分子都有自己的一組頻率，就像指紋一樣；這組指紋得先在實驗室裡測出來。CD₃OD 的實驗室測量結果在 2023 年發表。

這次的觀測來自 ALMA 的大型計畫 COMPASS。計畫觀測了 11 顆和太陽相似的年輕原恆星，也就是仍在形成中的恆星，頻率範圍為 279.0–311.7 GHz（波長約 1 公釐）。ALMA 能分辨每顆原恆星周圍約 100 AU（日地距離的 100 倍）以內的細節，這個範圍大約和一個行星系統一樣大。在 IRAS 4A2 的方向上，CD₃OD 有十條譜線訊號很強，而且沒有和其他分子的譜線明顯重疊，因此這次辨認相當可靠。

COMPASS 的另一項研究發現，11 顆原恆星中，有 7 顆周圍的氣體會放大一條 302.9 GHz 的甲醇譜線，原理和雷射放大光一樣；這種現象稱為「邁射」。其中 6 顆處在最早期的演化階段，天文學家稱為 Class 0；第 7 顆的邁射，可能是鄰近一顆質量較大的原恆星噴出的外流所激發。

這些化學過程為什麼關係到行星和彗星

甲醇是在塵粒表面的冰層裡形成的：在原恆星誕生之前的寒冷階段，氫原子一個接一個附著到冰凍的一氧化碳上。在這麼低的溫度下，氘的質量較大，使某些反應更容易把氘留在分子裡，結果分子裡的氘含量遠高於宇宙中的平均值。因此，甲醇含有多少氘，記錄了這些冰當初是怎麼形成的。等到年輕恆星把周圍加熱，冰就昇華成氣體（在 IRAS 4A2 周圍約 200 K，即 −73°C），這時 ALMA 就能測量氣體裡的甲醇。

現有的化學模型還解釋不了這些結果：帶兩個或三個氘原子的甲醇，模型預測的量只有實際觀測到的十分之一到百分之一，而 CD₃OD 讓這個差距變得更大。作者推測，模型裡少了某個關鍵環節。

彗星把這些化學過程和我們的太陽系連在一起。ALMA 也觀測過另一個年輕系統 IRAS 16293-2422；研究人員把那裡的觀測結果，和羅塞塔號在 67P 楚留莫夫-格拉希門克彗星測得的資料相比，發現兩者之間許多分子的相對含量具有相關性，只是數據有些分散。這表示，彗星和其他構成行星的原料裡，可能有一部分冰早在相當於 IRAS 4A2 現在所處的階段就已形成，並一路保留下來。

它在天空哪裡、看得到什麼

IRAS 4A2 位在 NGC 1333 的南側。NGC 1333 是英仙座裡的一個年輕星團，周圍環繞著反射星雲，也就是被附近恆星照亮的塵埃。IRAS 4A2 的位置是赤經 3 時 29 分、赤緯 +31° 14′，距離我們約 950 光年（290 秒差距）。11月中旬，從地球看去，這個星團正好和太陽位在相反方向，半夜時升到最高；12月到2月，傍晚時的位置很適合觀測。在南緯約 59° 以南的地方，它永遠不會升到地平線上；從南緯 35° 看，它在北方地平線上最高也只升到約 24°。

這顆原恆星仍埋在孕育它的氣體和塵埃裡，業餘望遠鏡看不到；它的甲醇只會出現在毫米波的光譜裡。至於周圍星雲的目視亮度，似乎還沒有人發表過可靠的測量值。