马头里藏着什么奇怪的东西。该星云以其类似于水晶的外形命名，它是一个由尘埃和气体组成的高耸云团，距离地球1500光年，在那里不断有新的恒星诞生。它是最容易辨认的天体之一，科学家们对它进行了深入的研究。但在2011年，毫米射电天文学研究所(IRAM)和其他地方的天文学家再次对它进行了探测。借助位于西班牙内华达山脉的IRAM 30米望远镜，他们在射电光下锁定了马鬃的两个部分。他们对给马头再拍些照片不感兴趣;相反，他们是在对分解成其组成波长的光进行光谱分析，从而揭示了星云的化学组成。显示在屏幕上的数据看起来就像心脏监测器上的光点;每一次摆动都表明星云中的某些分子发出了特定波长的光。
宇宙中的每一个分子都根据其内部质子、中子和电子的方向做出自己特有的摆动。马头数据中的大多数摆动很容易归因于常见的化学物质，如一氧化碳、甲醛和中性碳。但马头上的一个点也有几条不知名的小线条，它们在频率上是相等的。这些代表了一个谜——一个完全不为科学所知的分子。
在看到这些数据后，巴黎天文台的Evelyne Roueff和研究小组的其他化学家立即开始设想是什么样的分子会产生这种信号。他们的结论是，这种未知的物质一定是一种线性分子——一种原子排列成直链的化合物。只有某种特定类型的线性分子才会产生化学家看到的光谱模式。在研究了一系列可能的分子后，他们发现了C3H+，丙基吡啶。这种分子离子以前从未被发现过。事实上，根本没有证据证明它的存在。如果它能形成，它将是高度不稳定的。在地球上，它几乎会立即与其他物质发生反应，变成更稳定的物种。但在太空中，由于压强低，分子很少与其他物质结合，杏耀代理开户所以C3H+可能会存活下来。
鲁夫和她的同事们研究了马头星云是否含有形成这种分子的正确成分和条件。2012年，他们在《天文学与天体物理学》上发表了一篇论文，结论是他们看到的摆动可能属于C3H+。“我自己也比较自信，”鲁夫说。“但我们花了两到三年时间，才让所有人相信我们的身份是正确的。”
起初，一些怀疑论者质疑这一说法——如果C3H+以前从未被发现过，他们怎么能确定这就是它呢?2014年，德国科隆大学(University of Cologne)的研究人员成功地在实验室里非常短时间地创造出了C3H+。这一壮举不仅证明了这种分子是存在的，而且还使科学家们能够测量它在被激发时产生的光谱——与马头实验中显示的光谱完全相同。“发现一种我们以前从未真正考虑过的新分子是非常值得的，”鲁夫说。“当你能够通过一系列逻辑来识别它时，就像当侦探一样。”
一个外星分子下来了，很多很多。马头星云没有任何异常。在宇宙中几乎每一个地方，天文学家都能看到未知的光谱线——如果他们仔细观察的话。我们人类所熟悉的化合物，是造成地球上物质多样性的物种，只是大自然创造的物质的一小部分。最后，经过几十年的理论模型和计算机模拟技术的发展，再加上实验室里用来复制新分子的实验，天体化学家们正在给这些未知的线条命名。
就在20世纪60年代，大多数科学家还怀疑分子是否真的存在于星际空间中——他们认为，那里的辐射太过强烈，除了原子和一些基本的自由基外，其他任何物质都无法在那里生存。1968年，加州大学伯克利分校的物理学家Charles Townes决定无论如何都要在太空中寻找分子。“我觉得伯克利的大多数天文学家都觉得我的想法有点疯狂，”汤恩斯在2006年为太平洋天文学会(Astronomical Society of the Pacific)撰写的一份报告中回忆道。汤恩斯是2015年去世的诺贝尔奖得主。但是汤斯继续前进，在加州哈特克里克无线电天文台为6米长的天线建造了一个新的放大器，它揭示了人马座B2星云中氨的存在。“多么容易，多么令人兴奋!””他写道。“新闻媒体和科学家都开始对我们议论纷纷。”
从那时起，天文学家们已经发现了200多种漂浮在太空中的分子。许多物种与在地面上看到的物种大不相同。“我们通常根据地球上的条件进行化学反应，”南乔治亚大学的天体化学家Ryan Fortenberry说。“当我们脱离那种模式时，可以创造的化学物质是无限的。如果你能想象出一个分子，不管它有多奇怪，它存在于某个地方的可能性是有限的，无论它在亿万年和浩瀚的空间中存在的可能性是有限的。”
在西班牙，天文学家用射电望远镜观测马头星云，发现了一个神秘分子的化学特征。望远镜传回的光谱数据是一个折线图，表示来自星云的光的强度在一个波长范围内。光的急剧上升，如这里所示的特征，表明了一种特定分子的存在，这种分子的化学特性使它能够发射出特定波长的光。经过大量的调查研究，研究人员确定了这个未知的线条特征来自于以前从未见过的化合物C3H+，它只存在于空间中。
太空简直就是一个陌生的环境。温度可能比地球上(比如恒星的大气层)高得多，也可能比地球上(相对空旷的星际空间)低得多。同样，压力(极高或极低)也远离地球。因此，分子可以在永远不会出现在我们星球上的空间中形成——然后它们可以在周围逗留，即使它们具有高度的活性。美国国家航空航天局艾姆斯研究中心的天体物理学家蒂莫西·李说:“一个分子在星际空间中弹射到另一个分子之前可能要经过很多年。”“它可能在一个没有辐射的地区，所以即使它不是那么稳定，它也可以存在很长时间。”
这些空间分子一旦被识别出来，就能教会我们很多东西。如果科学家们能在实验室里制造出它们，并学会利用它们的特性，其中一些可能会被证明是有益的。其他分子可能有助于解释在地球上产生生命的有机化合物的起源。所有这些都拓展了化学在宇宙中可能存在的范围。
在过去的十年里，随着能够观测微弱光谱线的强大的新望远镜的出现，对外星分子的搜寻也在加速。“现在是天体化学的全盛时期，”埃默里大学(Emory University)天体化学小组负责人苏珊娜·威德库斯·韦弗(Susanna Widicus Weaver)说。她说，即便是2015年的数据，也比10年前她刚完成博士学位时的数据有了巨大的进步。NASA的高空平流层红外天文观测站(SOFIA)安装在一架波音747SP上，2010年开始使用红外线和微波光进行观测，欧洲航天局的赫歇尔太空观测站在2009年发射进入轨道，目标是相同的波长。
然而，真正改变游戏规则的是跨国公司阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)，这是一个由66个无线电天线组成的星座，于2013年投入使用。智利阿塔卡马沙漠是世界上最干燥的地方，在海拔约5200米的查南托高原上，像火星一样广阔的红色区域，阿尔玛的配套天线在观测者收集来自宇宙物体的光线时齐声旋转。极端的黑暗和晴朗的天空几乎没有模糊的水分，
杏耀主管团队 ，这给了望远镜前所未有的灵敏度和精度，在波长从红外到无线电。ALMA为其图像的每个像素都创建了一个视觉图像和一个光谱，在它观察到的每个视场都产生了数万条光谱线。威迪库斯·韦弗说:“这很神奇，同时也让人难以承受。”“这些数据集太大了，他们经常不得不把它们寄给闪存盘上的科学家，因为他们无法下载。“大量的数据为天体化学家提供了丰富的新光谱线。但是，就像犯罪现场的身份不明的指纹一样，这些线条对科学家来说毫无用处，除非他们能确定是哪些分子创造了它们。
为了使分子与这些线条相匹配，科学家们可以从几个方面入手。与C3H+的情况一样，天体化学家可能会从光谱中寻找线索，猜测其背后可能存在的分子。了一种叫做量子化学从头开始(从头开始是拉丁语“从一开始”)允许科学家们开始从单纯的量子力学理论,描述亚原子粒子的行为计算分子的属性基于运动的质子,中子和电子的原子组成。在超级计算机上，科学家可以反复模拟一个分子，每次稍微调整一下分子的结构和粒子的排列，然后观察结果，以找到化合物的最佳几何形状。“在量子化学中，我们不受合成物质的限制，”Fortenberry说。“我们受到分子大小的限制。我们需要大量的计算能力来进行计算。”
研究人员还可以通过在实验室中创造新分子并直接测量其光谱特征来寻找新分子的确凿证据。一种常见的技术是从一个充满气体的房间开始，然后让电流通过它。电流中的电子可能与气体分子发生碰撞，打破其化学键，产生新的东西。研究人员将气体保持在非常低的压力下，这样任何产生的化学物质都有机会在遇到另一个分子并发生反应之前停留片刻。然后，科学家们将通过发射不同波长的光来测量舱内物体的光谱。哈佛-史密森天体物理中心的物理学家迈克尔·麦卡锡说:“你可以在实验室里制造出与太空中相同的分子，但你不一定知道这种分子是什么。”“所以你必须尝试从不同的实验室实验和不同的样品组合中推断出元素组成。”
在2006年，麦卡锡和他的同事创造了带负电荷的分子C6H，并测量了它的光谱。不久之后，他们在430光年外的星际金牛座分子云中发现了同样的光谱特征。以前在太空中寻找负分子的结果是一无所获，因此许多科学家怀疑它们是否大量存在。麦卡锡说:“这让我们有了一系列的发现，在这些发现中，我们能够在实验室和太空中发现相关的分子。”他的团队和其他人现在已经在十多个宇宙源中发现了C6H−。
在20世纪80年代，科学家们试图制造出一种新的化学物质，这种物质可以产生分子argonium (36ArH+)，这种奇怪的化合物通常在地球上是找不到的，它可以把氢和惰性气体氩结合在一起。2013年，天文学家在太空中发现了argonium，首先是在蟹状星云，后来通过ALMA观测发现了一个遥远的星系。以稀有气体为基础的化合物只有在非常特殊的情况下才能形成;科学家们认为，在太空中，被称为宇宙射线的高能带电粒子撞击氩并使电子脱离，从而使氩与氢结合。由于这个原因，如果科学家在太空中看到了阿贡菌，他们可以推测这个地方充满了宇宙射线。“这是这些情况的一个非常具体的指标，这些情况在太空中实际上非常重要，”科隆大学的霍尔格·穆勒(Holger Muller)说，他是阿尔玛发现项目团队的负责人。
潜伏在恒星和星云中的许多分子是极端的外来物。问他们如果你能把他们握在手里，他们会是什么样子，会有什么感觉，这是毫无意义的，因为你永远拿不住他们——他们会立即做出反应。如果你设法与它们接触，它们几乎肯定是有毒和致癌的。然而，奇怪的是，科学家们对一些外星分子的气味有一个大致的概念:迄今为止探测到的许多分子都属于一类叫做芳烃的化合物，芳烃来源于苯(C6H6)，最初是以它们的强烈气味命名的。
一些新的化合物揭示了令人惊讶的原子结构，并以不可预见的方式在原子间共享电荷。有时它们会挑战现有的分子键合理论。最近的一个例子是2015年在一颗垂死的恒星中发现的分子SiCSi，它是由两个硅原子和一个碳原子以一种意想不到的方式结合而成的。得到的分子有些松散，产生的光谱与简单的理论模型预测的不同。
而空间分子可能有助于回答宇宙中最基本的问题之一:生命是如何起源的?科学家们不知道构成生命的氨基酸是在地球上还是在太空中产生的(然后由彗星和陨石送到我们的星球上)。“最大的问题是，当恒星形成时，它们是在分子云中形成的，”Widicus Weaver问道，“还是一旦你有了行星或其他岩石块，它们的表面会发生化学反应，它们就会形成?”这个问题的答案将决定宇宙中是否存在丰富的氨基酸，是否有可能在无数的系外行星上为生命提供种子，或者是否激发我们的化学物质是独立于我们的行星摇篮之外的。天体化学家已经在太空中发现了氨基酸的迹象，以及可能产生氨基酸的分子序列。
最后，如果能够创造出足够数量的稀有物种并将其保存在受控的条件下，杏耀注册某些稀有物种可能会被证明是有用的。“天体化学的最大希望是我们能找到具有全新性质的分子，并将其应用于地球上的问题，”福滕贝里说。足球形状的分子“巴基球”就是一个例子。这些由60个碳原子组成的大型团块首次出现在1985年的一个实验室里(并为其发现者赢得了诺贝尔奖)。近十年之后,天文学家看到星际气体光谱特性,看上去与巴克球的带正电的版本一致,和连接于2015年确认当研究人员匹配这些特性在spacelike条件下创建的巴克球的光谱实验室。“这个分子现在所有星系和宇宙,“末指出巴基球哈罗德•克罗托发现者之一,佛罗里达州立大学化学教授。最近，“巴基球”不仅是太空中发现的一种怪癖，还是纳米技术的实用工具，在增强材料、改进太阳能电池甚至制药方面都很有用。
在这一点上，天体化学家们仍然在测试太空中分子海洋的浅水。他们已经发现的发现提醒我们，在宇宙中我们自己的小角落只是一个微不足道的，不一定有代表性的样本，什么是可能的。也许我们在地球上熟悉的物种实际上是外来物种，而巴基球、马头星云、C3H+和其他未知的物种则是宇宙中的普通物质。
